En intégrant des fils conducteurs ainsi que des canaux microfluidiques dans de longues fibres, les chercheurs ont pu démontrer la capacité de trier les cellules - dans ce cas, séparer les cellules vivantes des mortes, car les cellules réagissent différemment à un champ électrique. Les cellules vivantes, représenté en vert, sont tirés vers le bord extérieur des canaux, tandis que les cellules mortes (rouges) sont tirées vers le centre, leur permettant d'être envoyés dans des canaux séparés. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Les dispositifs microfluidiques sont de minuscules systèmes dotés de canaux microscopiques qui peuvent être utilisés pour des tests et des recherches chimiques ou biomédicales. Dans une avancée potentiellement révolutionnaire, Les chercheurs du MIT ont maintenant incorporé des systèmes microfluidiques dans des fibres individuelles, permettant de traiter des volumes de fluide beaucoup plus importants, de manière plus complexe. Dans un sens, l'avancée ouvre une nouvelle ère "macro" de la microfluidique.
Dispositifs traditionnels de microfluidique, développé et largement utilisé au cours des deux dernières décennies, sont fabriqués sur des structures de type micropuce et fournissent des moyens de mélange, séparer, et tester des fluides dans des volumes microscopiques. Des tests médicaux qui ne nécessitent qu'une minuscule goutte de sang, par exemple, reposent souvent sur la microfluidique. Mais l'échelle réduite de ces appareils pose également des limites; par exemple, ils ne sont généralement pas utiles pour les procédures qui nécessitent de plus grands volumes de liquide pour détecter les substances présentes en quantités infimes.
Une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un moyen de contourner cela, en créant des canaux microfluidiques à l'intérieur des fibres. Les fibres doivent être fabriquées aussi longtemps que nécessaire pour s'adapter à un débit plus important, et ils offrent un grand contrôle et une grande flexibilité sur les formes et les dimensions des canaux. Le nouveau concept est décrit dans un article paru cette semaine dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , écrit par Rodger Yuan, étudiant diplômé du MIT, les professeurs Joel Voldman et Yoel Fink, et quatre autres.
Une approche multidisciplinaire
Le projet est né d'un événement « speedstorming » (un amalgame de brainstorming et de speed dating, une idée lancée par le professeur Jeffrey Grossman) qui a été lancée par Fink lorsqu'il était directeur du Laboratoire de recherche en électronique du MIT. Les événements sont destinés à aider les chercheurs à développer de nouveaux projets collaboratifs, en faisant réfléchir des paires d'étudiants et de post-doctorants pendant six minutes à la fois et de proposer des centaines d'idées en une heure, qui sont classés et évalués par un jury. Dans cette session de speedstorming particulière, des étudiants en génie électrique ont travaillé avec d'autres en science des matériaux et en technologie des microsystèmes pour développer une nouvelle approche du tri cellulaire à l'aide d'une nouvelle classe de fibres multimatériaux.
Yuan explique que, bien que la technologie microfluidique ait été largement développée et largement utilisée pour le traitement de petites quantités de liquide, il souffre de trois limitations inhérentes liées à la taille globale des appareils, leurs profils de chaînes, et la difficulté d'incorporer des matériaux supplémentaires tels que des électrodes.
Parce qu'ils sont généralement fabriqués à l'aide de méthodes de fabrication de puces, les dispositifs microfluidiques sont limités à la taille des plaquettes de silicium utilisées dans de tels systèmes, qui ne mesurent pas plus de 8 pouces de diamètre. Et les procédés de photolithographie utilisés pour fabriquer de telles puces limitent les formes des canaux; ils ne peuvent avoir que des sections transversales carrées ou rectangulaires. Finalement, tout matériel supplémentaire, telles que des électrodes pour détecter ou manipuler le contenu des canaux, doit être mis en place individuellement dans un processus séparé, limitant fortement leur complexité.
"La technologie des puces de silicium est vraiment bonne pour faire des profils rectangulaires, mais tout ce qui va au-delà nécessite des techniques vraiment spécialisées, " dit Yuan, qui a effectué les travaux dans le cadre de sa recherche doctorale. "Ils peuvent faire des triangles, mais seulement avec certains angles spécifiques. » Avec la nouvelle méthode à base de fibres que lui et son équipe ont développée, une variété de formes de section transversale pour les canaux peut être mise en œuvre, y compris l'étoile, traverser, ou des formes de nœud papillon qui peuvent être utiles pour des applications particulières, comme le tri automatique de différents types de cellules dans un échantillon biologique.
En outre, pour la microfluidique conventionnelle, des éléments tels que des fils de détection ou de chauffage, ou des dispositifs piézoélectriques pour induire des vibrations dans les fluides échantillonnés, doit être ajouté à une étape de traitement ultérieure. Mais ils peuvent être complètement intégrés dans les canaux du nouveau système à base de fibre.
Le dessin illustre la façon dont une plus grande "préforme" (en haut) est chauffée dans un four (avec l'élément chauffant indiqué en rouge), puis est tiré à travers une ouverture étroite pour former une fibre qui conserve les formes créées dans la préforme, mais à une taille très réduite. L'encart montre la configuration des canaux à l'intérieur de la fibre. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Un profil qui rétrécit
Comme d'autres systèmes de fibres complexes développés au fil des ans dans le laboratoire du co-auteur Yoel Fink, professeur de science et ingénierie des matériaux et responsable du consortium Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), ces fibres sont fabriquées à partir d'un cylindre polymère surdimensionné appelé préforme. Ces préformes contiennent la forme exacte et les matériaux souhaités pour la fibre finale, mais sous une forme beaucoup plus grande, ce qui les rend beaucoup plus faciles à réaliser dans des configurations très précises. Puis, la préforme est chauffée et chargée dans une tour de chute, où il est lentement tiré à travers une buse qui le resserre en une fibre étroite qui fait un quarantième du diamètre de la préforme, tout en préservant toutes les formes et agencements internes.
Dans le processus, le matériau est également allongé d'un facteur 1, 600, de sorte qu'une préforme de 100 millimètres de long (4 pouces de long), par exemple, devient une fibre de 160 mètres de long (environ 525 pieds), surmontant ainsi considérablement les limitations de longueur inhérentes aux dispositifs microfluidiques actuels. Cela peut être crucial pour certaines applications, comme la détection d'objets microscopiques qui existent en très petites concentrations dans le fluide, par exemple, un petit nombre de cellules cancéreuses parmi des millions de cellules normales.
"Parfois, vous devez traiter beaucoup de matière car ce que vous recherchez est rare, " dit Voldman, professeur de génie électrique spécialisé en microtechnologie biologique. Cela rend cette nouvelle technologie de microfluidique à base de fibre particulièrement appropriée pour de telles utilisations, il dit, parce que "les fibres peuvent être rendues arbitrairement longues, " laissant plus de temps au liquide pour rester à l'intérieur du canal et interagir avec lui.
Alors que les dispositifs microfluidiques traditionnels peuvent créer de longs canaux en boucle sur une petite puce, les torsions qui en résultent modifient le profil du canal et affectent la façon dont le liquide s'écoule, alors que dans la version fibre, ceux-ci peuvent être réalisés aussi longtemps que nécessaire, sans changement de forme ou de direction, permettant un flux ininterrompu, dit Yuan.
Le système permet également d'incorporer dans la fibre des composants électriques tels que des fils conducteurs. Ceux-ci peuvent être utilisés par exemple pour manipuler des cellules, en utilisant une méthode appelée diélectrophorèse, dans lequel les cellules sont affectées différemment par un champ électrique produit entre deux fils conducteurs sur les côtés du canal.
Avec ces fils conducteurs dans le microcanal, on peut contrôler la tension pour que les forces "poussent et tirent sur les cellules, et vous pouvez le faire à des débits élevés, " dit Voldman.
A titre de démonstration, l'équipe a créé une version du dispositif à fibre optique à long canal conçu pour séparer les cellules, trier les cellules mortes des vivantes, et a prouvé son efficacité dans l'accomplissement de cette tâche. Avec le développement ultérieur, ils s'attendent à pouvoir effectuer une discrimination plus subtile entre les types de cellules, dit Yuan.
"Pour moi, c'était un merveilleux exemple de la façon dont la proximité entre les groupes de recherche dans un laboratoire interdisciplinaire comme RLE conduit à des recherches révolutionnaires, initié et dirigé par un étudiant diplômé. Nous, les professeurs, étions essentiellement entraînés par nos étudiants, " dit Fink.
Les chercheurs soulignent qu'ils ne voient pas la nouvelle méthode comme un substitut à la microfluidique actuelle, qui fonctionnent très bien pour de nombreuses applications. "Ce n'est pas destiné à remplacer, c'est destiné à augmenter" les méthodes actuelles, Voldman dit, permettant de nouvelles fonctions pour des usages particuliers qui n'étaient pas possibles auparavant.
