Un concept important dans les soins de santé futurs est le développement de dispositifs appelés « laboratoire sur puce ». Ces " jetons, " pas liés à ceux électroniques trouvés dans les ordinateurs, sont de petits dispositifs dans lesquels des fluides biologiques - du sang ou de l'urine par exemple - sont injectés pour remplir des canaux microscopiques spécialement conçus. Ces canaux contiendraient des biocapteurs qui pourraient détecter par exemple des marqueurs spécifiques de maladies dans le fluide et fournir un diagnostic rapide. Un large éventail d'analyses pourrait être effectué sur un appareil de quelques centimètres carrés. Cependant, un problème qui se pose est la taille de l'échantillon de fluide injecté à l'intérieur de la puce, avec des volumes minuscules jusqu'à un milliardième de litre. En raison du manque de technologies disponibles, les chercheurs ne comprennent pas encore complètement comment les fluides - en particulier les fluides d'origine biologique complexes - se comportent à de si petites échelles.

Le professeur Amy Shen et les membres de son équipe de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST ont concentré leurs efforts sur l'utilisation de la microfluidique comme outil pour révéler les lois et les principes régissant le comportement des fluides complexes à l'échelle microscopique. Puis dans une seconde phase, ils utilisent ces découvertes pour fournir des applications directes dans les soins de santé et la biotechnologie. Leurs découvertes récentes se trouvent dans le Journal de rhéologie de l'Institut américain de physique.

Caractérisation du comportement des solutions de polymères à l'échelle microscopique

Les polymères sont de grosses molécules construites à partir de nombreuses unités similaires répétées. Ils sont omniprésents dans la vie de tous les jours, constituant la plupart des matières synthétiques que nous utilisons, des tissus au caoutchouc et au polystyrène. Des solutions polymères liquides peuvent être trouvées dans de nombreux articles commerciaux, des produits de nettoyage ménagers à la peinture. Mais c'est à l'échelle microscopique que les solutions polymères pourraient drastiquement améliorer les outils de diagnostic.

"Lorsque vous ajoutez un polymère à une suspension de particules dans l'eau, vous déclenchez un nouveau phénomène dans le canal microfluidique, " a expliqué le Dr Del Giudice. " Ces polymères commencent à agir comme des ressorts pour lancer des particules ou des cellules dans la suspension, en les poussant vers le milieu du canal et en favorisant leur alignement. » Pouvoir disposer des particules ou des cellules dans un canal microscopique représente une énorme amélioration pour l'utilisation des biocapteurs dans le diagnostic des soins de santé. Les solutions polymères pourraient même séparer et trier par taille différents composants dans un fluide biologique complexe - par exemple du sang, composé de cellules et d'agrégats de plusieurs tailles - dans une seule puce microfluidique.

Mais ce phénomène est fortement dépendant de la nature du polymère lui-même. Il faut du temps au polymère dans une solution diluée pour reprendre sa forme initiale après avoir été déformé par l'écoulement. Ce retard, appelé le temps de relaxation, est un paramètre critique à mesurer pour décrire le comportement des polymères. Aujourd'hui, les techniques actuelles de mesure des temps de relaxation sont limitées par la sensibilité des instruments commerciaux disponibles, qui ne sont capables de mesurer que des temps de relaxation relativement longs tels que ceux de solutions concentrées de polymères en grands volumes.

Dans leur travail, Le Dr Francesco Del Giudice et le Dr Simon Haward ont conçu des dispositifs microfluidiques pour observer la déformation et la relaxation des polymères dans des canaux micrométriques. Ces plates-formes permettent aux chercheurs d'étirer ou de cisailler des polymères à volonté en utilisant de faibles volumes et de faibles concentrations et d'enregistrer les réactions à ces forces. De cette façon, ils peuvent caractériser des fluides polymériques dilués avec des temps de relaxation même très courts, et ainsi avoir une bien meilleure idée de leur comportement à l'échelle microscopique.

L'utilisation de ces nouveaux outils microfluidiques permettrait aux chercheurs de générer un catalogue de divers fluides polymériques dont les temps de relaxation sont connus. Avec une telle base de données à leur disposition, les scientifiques pourraient alors choisir un polymère approprié pour l'alignement et/ou la séparation des molécules dans le fluide biologique qu'ils souhaitent étudier à l'intérieur de leur puce. "Par ici, comprendre les solutions polymères vous permettra de créer une plateforme à haut débit sur une puce composée de plusieurs modules différents, chacun effectuant des analyses différentes », a ajouté le Dr Del Giudice.