Un bioréacteur microfluidique se compose de deux chambres séparées par une membrane en silicium nanoporeux. Il permet des dosages basés sur le débit en utilisant des quantités minimales de réactif. La membrane de silicium ultra-mince offre une excellente imitation des propriétés de barrière biologique. REMARQUE :cette image combine deux expositions afin de capturer les parties les plus claires et les plus sombres de la scène, qui dépassent la plage dynamique du capteur de la caméra. Le composite résultant est plus fidèle à ce que l'œil voit réellement. Crédit :Adam Fenster/Université de Rochester.
La capacité de réduire les processus à l'échelle du laboratoire à des systèmes automatisés de la taille d'une puce révolutionnerait la biotechnologie et la médecine. Par exemple, des appareils peu coûteux et très portables qui traitent les échantillons de sang pour détecter des agents biologiques tels que l'anthrax sont nécessaires à l'armée américaine et aux efforts de sécurité intérieure. L'un des défis de la technologie « laboratoire sur puce » est le besoin de pompes miniaturisées pour déplacer les solutions à travers des micro-canaux. Pompes électroosmotiques (EOP), dispositifs dans lesquels les fluides semblent se déplacer comme par magie à travers des milieux poreux en présence d'un champ électrique, sont idéales car elles peuvent être facilement miniaturisées. EOP cependant, besoin encombrant, sources d'alimentation externes, ce qui va à l'encontre du concept de portabilité. Mais une membrane de silicium ultra-mince développée à l'université de Rochester pourrait désormais permettre de réduire drastiquement la source d'alimentation, ouvrant la voie à des appareils de diagnostic de la taille d'une carte de crédit.
"Jusqu'à maintenant, les pompes électroosmotiques ont dû fonctionner à une très haute tension - environ 10 kilovolts, " dit James McGrath, professeur agrégé de génie biomédical. "Notre appareil fonctionne dans la gamme d'un quart de volt, ce qui signifie qu'il peut être intégré dans des appareils et alimenté par de petites piles.
Le document de recherche de McGrath est publié cette semaine par le journal Actes de l'Académie nationale des sciences .
McGrath et son équipe utilisent des membranes poreuses en silicium nanocristallin (pnc-Si) qui sont microscopiquement minces - il en faut plus d'un millier empilées les unes sur les autres pour égaler la largeur d'un cheveu humain. Et c'est ce qui permet un système basse tension.
Une membrane poreuse doit être placée entre deux électrodes afin de créer ce qu'on appelle un flux électroosmotique, qui se produit lorsqu'un champ électrique interagit avec des ions sur une surface chargée, provoquant le déplacement des fluides dans les canaux. Les membranes précédemment utilisées dans les EOP ont entraîné une chute de tension importante entre les électrodes, obligeant les ingénieurs à commencer par encombrants, sources d'alimentation à haute tension. Les fines membranes pnc Si permettent de placer les électrodes beaucoup plus près les unes des autres, créant un champ électrique beaucoup plus fort avec une chute de tension beaucoup plus faible. Par conséquent, une plus petite source d'alimentation est nécessaire.
"Jusqu'à maintenant, tout ce qui est associé aux pompes miniatures n'a pas été miniaturisé, " a déclaré McGrath. "Notre appareil ouvre la porte à un nombre énorme d'applications."
Parallèlement aux applications médicales, il a été suggéré que les EOP pourraient être utilisés pour refroidir les appareils électroniques. À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits, les composants sont emballés plus étroitement, ce qui facilite la surchauffe des appareils. Avec des alimentations miniatures, il peut être possible d'utiliser des EOP pour aider à refroidir les ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables.
McGrath a déclaré qu'il y avait un autre avantage aux membranes de silicium. "En raison des méthodes de fabrication évolutives, les membranes en silicium nanocristallin sont peu coûteuses à fabriquer et peuvent être facilement intégrées sur des puces microfluides à base de silicium ou de silice."
