Les chercheurs du MIT ont développé du matériel qui utilise des champs électriques pour déplacer des gouttelettes de solutions chimiques ou biologiques autour d'une surface, en les mélangeant de manière à pouvoir tester des milliers de réactions en parallèle.

Les chercheurs considèrent leur système comme une alternative aux dispositifs microfluidiques maintenant couramment utilisés dans la recherche biologique, dans lequel les solutions biologiques sont pompées à travers des canaux microscopiques reliés par des valves mécaniques. La nouvelle approche, qui déplace les solutions dans des modèles prescrits par le calcul, pourrait permettre de mener des expérimentations plus efficacement, rentable, et à plus grande échelle.

"Les systèmes microfluidiques traditionnels utilisent des tubes, soupapes, et pompes, " dit Udayan Umapathi, chercheur au MIT Media Lab, qui a dirigé le développement du nouveau système. "Ce que cela signifie, c'est qu'ils sont mécaniques, et ils tombent en panne tout le temps. J'ai remarqué ce problème il y a trois ans, quand j'étais dans une entreprise de biologie synthétique où j'ai construit certains de ces systèmes microfluidiques et des machines mécaniques qui interagissent avec eux. J'ai dû garder ces machines pour m'assurer qu'elles n'explosent pas."

« La biologie évolue vers des processus de plus en plus complexes, et nous avons besoin de technologies pour manipuler des gouttelettes de plus en plus petites, " dit Umapathi. " Des pompes, soupapes, et les tubes deviennent vite compliqués. Dans la machine que j'ai construite, il m'a fallu une semaine pour assembler 100 connexions. Supposons que vous passiez d'une échelle de 100 connexions à une machine avec un million de connexions. Vous ne pourrez pas l'assembler manuellement."

Avec son nouveau système, Umapathi explique, des milliers de gouttelettes pourraient se déposer à la surface de son appareil, et ils se déplaceraient automatiquement pour effectuer des expériences biologiques.

Le système comprend un logiciel qui permet aux utilisateurs de décrire, à un haut niveau de généralité, les expériences qu'ils souhaitent mener. Le logiciel calcule ensuite automatiquement les trajectoires des gouttelettes sur la surface et coordonne le timing des opérations successives.

"L'opérateur spécifie les exigences de l'expérience, par exemple, le réactif A et le réactif B doivent être mélangés dans ces volumes et incubés pendant cette durée, puis mélangé avec le réactif C. L'opérateur ne précise pas comment les gouttelettes s'écoulent ni où elles se mélangent. Tout est précalculé par le logiciel."

Umapathi et ses coauteurs—Hiroshi Ishii, le professeur Jerome B. Wiesner d'arts et sciences médiatiques au MIT; Patrick Shin et Dimitris Koutentakis, étudiants de premier cycle du MIT travaillant dans le laboratoire d'Ishii ; et Sam Gen Chin, un étudiant de premier cycle de Wellesley dans le laboratoire - décrivez leur nouveau système dans un article paru ce mois-ci dans la revue en ligne MRS Advances.

Au cours des 10 dernières années, d'autres groupes de recherche ont expérimenté la « microfluidique numérique, " ou manipulation électrique de gouttelettes, pour mener des expériences biologiques. Mais leurs puces ont été fabriquées à l'aide de techniques de gravure haut de gamme qui nécessitent des environnements contrôlés appelés salles blanches. Umapathi et ses collègues se sont concentrés sur la réduction des coûts. Leur prototype utilise une carte de circuit imprimé, un appareil électronique de base qui se compose d'une carte en plastique avec un câblage en cuivre déposé dessus.

Le principal défi technique des chercheurs était de concevoir un revêtement pour la surface du circuit imprimé qui réduirait la friction, permettant aux gouttelettes de glisser dessus, et qui empêcherait les molécules biologiques ou chimiques de s'y coller, afin qu'ils ne contaminent pas les futures expériences. La carte de circuit imprimé est structurée avec un réseau d'électrodes. Dans le proto, les chercheurs recouvrent la planche d'un ensemble beaucoup plus dense de minuscules sphères, seulement un micromètre de haut, fabriqué à partir d'un matériau hydrophobe (déperlant). Des gouttelettes patinent sur le dessus des sphères. Les chercheurs expérimentent également d'autres structures que les sphères, qui peut mieux fonctionner avec des matériaux biologiques particuliers.

Parce que la surface de l'appareil est hydrophobe, les gouttelettes déposées au-dessus tentent naturellement de prendre une forme sphérique. Le chargement d'une électrode tire la gouttelette vers le bas, l'aplatissant. Si l'électrode sous une gouttelette aplatie s'éteint progressivement, tandis que l'électrode à côté est progressivement allumée, le matériau hydrophobe entraînera la gouttelette vers l'électrode chargée.

Les gouttelettes en mouvement nécessitent des tensions élevées, quelque part entre 95 et 200 volts. Mais 300 fois par seconde, une électrode chargée dans l'appareil des chercheurs du MIT alterne entre une haute tension, signal basse fréquence (1 kilohertz) et un signal haute fréquence 3,3 volts (200 kilohertz). Le signal haute fréquence permet au système de déterminer l'emplacement d'une gouttelette, utilisant essentiellement la même technologie que les téléphones à écran tactile.

Si la goutte ne se déplace pas assez rapidement, le système augmentera automatiquement la tension du signal basse fréquence. A partir du signal du capteur, le système peut également estimer le volume d'une gouttelette, lequel, avec les informations de localisation, lui permet de suivre la progression d'une réaction.

Umapathi pense que la microfluidique numérique pourrait réduire considérablement le coût des procédures expérimentales courantes en biologie industrielle. Entreprises pharmaceutiques, par exemple, mènera fréquemment de nombreuses expériences en parallèle, à l'aide de robots équipés de dizaines voire de centaines de pipettes, petits tubes de mesure qui ressemblent un peu à des compte-gouttes allongés.

« Si vous regardez les sociétés de découverte de médicaments, un robot de pipetage utilise un million de pointes de pipette en une semaine, ", dit Umapathi. "C'est en partie ce qui explique le coût de création de nouveaux médicaments. Je commence à développer des tests liquides qui pourraient réduire de 100 fois le nombre d'opérations de pipetage."

« Au cours des 15 derniers, 20 ans, la tendance générale de la pharma a été d'aller vers des volumes plus petits, parce qu'ils ont une plus grande capacité de multiplexage, " dit Charles Fracchia, fondateur et PDG de BioBright, une entreprise qui développe des systèmes d'information pour gérer la richesse des données générées par les expériences biologiques à grand volume. « En ce qui concerne la microfluidique numérique, comme Udayan le fait, c'est effectivement une version moins chère, et il est unilatéral au lieu d'être pris en sandwich entre deux électrodes. Je ne veux pas appeler ça du bricolage bio, mais c'est moins cher, instrumentation plus simple, accès plus facile. Il a certainement frappé cette note beaucoup mieux que [les systèmes précédents]. C'est excitant qu'il ait réussi à le faire avec une tension inférieure, et c'est excitant qu'il puisse le faire avec une seule électrode."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.