Les ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle technique pour piéger les molécules difficiles à détecter, utilisant des forêts de nanotubes de carbone.

L'équipe a modifié un simple canal microfluidique avec un réseau de nanotubes de carbone alignés verticalement, des réseaux roulés d'atomes de carbone qui ressemblent à de minuscules tubes de grillage. Les chercheurs avaient précédemment mis au point une méthode pour placer des nanotubes de carbone à leurs extrémités, comme des arbres dans une forêt. Avec cette méthode, ils ont créé un réseau tridimensionnel de nanotubes de carbone perméables dans un dispositif microfluidique, à travers lequel le fluide peut s'écouler.

Maintenant, dans une étude publiée cette semaine dans le Journal de micro-ingénierie et de nanotechnologie , les chercheurs ont donné au réseau de nanotubes la capacité de piéger certaines particules. Pour faire ça, l'équipe a enduit le tableau, couche par couche, avec des polymères de charge électrique alternative.

« Vous pouvez penser à chaque nanotube de la forêt comme étant recouvert de manière concentrique de différentes couches de polymère, " dit Brian Wardle, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Si vous l'avez dessiné en coupe, ce serait comme des anneaux sur un arbre."

Selon le nombre de couches déposées, les chercheurs peuvent créer des nanotubes plus épais ou plus minces et ainsi adapter la porosité de la forêt pour capturer des particules d'intérêt plus grandes ou plus petites.

Le revêtement polymère des nanotubes peut également être manipulé chimiquement pour lier des bioparticules spécifiques circulant dans la forêt. Pour tester cette idée, les chercheurs ont appliqué une technique établie pour traiter la surface des nanotubes avec des anticorps qui se lient à l'antigène spécifique de la prostate (PSA), une cible expérimentale commune. Les puces à revêtement polymère ont capturé 40 % d'antigènes en plus, par rapport aux matrices dépourvues de revêtement polymère.

Wardle dit que la combinaison de nanotubes de carbone et de revêtements multicouches peut aider à affiner les dispositifs microfluidiques pour capturer des particules extrêmement petites et rares, tels que certains virus et protéines.

"Il existe des bioparticules plus petites qui contiennent des quantités très riches d'informations auxquelles nous n'avons pas actuellement la possibilité d'accéder dans les dispositifs [de test médical] au point de service comme les puces microfluidiques, " dit Wardle, qui est co-auteur de l'article. "Les réseaux de nanotubes de carbone pourraient en fait être une plate-forme qui pourrait cibler cette taille de bioparticule."

L'auteur principal de l'article est Allison Yost, un ancien étudiant diplômé qui est actuellement ingénieur chez Accion Systems. D'autres sur le papier incluent l'étudiant diplômé Setareh Shahsavari; postdoc Roberta Polak; École d'ingénierie Professeur d'innovation pédagogique Gareth McKinley; professeur de science et ingénierie des matériaux Michael Rubner, et Raymond A. Et Helen E. St. Laurent Professeur de génie chimique Robert Cohen.

Une forêt poreuse

Les nanotubes de carbone ont fait l'objet d'études scientifiques intenses, car ils possèdent une électricité exceptionnelle, mécanique, et les propriétés optiques. Bien que leur utilisation en microfluidique n'ait pas été bien explorée, Wardle dit que les nanotubes de carbone sont une plate-forme idéale car leurs propriétés peuvent être manipulées pour attirer certaines molécules de taille nanométrique. En outre, les nanotubes de carbone sont poreux à 99%, ce qui signifie qu'un nanotube contient environ 1% de carbone et 99% d'air.

"C'est ce dont tu as besoin, " Wardle dit. "Vous devez faire circuler des quantités de fluide à travers ce matériau pour éliminer tous les millions de particules que vous ne voulez pas trouver et saisir celle que vous voulez trouver."

Quoi de plus, Wardle dit, une forêt tridimensionnelle de nanotubes de carbone fournirait beaucoup plus de surface sur laquelle les molécules cibles pourraient interagir, par rapport aux surfaces bidimensionnelles en microfluidique conventionnelle.

« L'efficacité de capture s'échelonnerait avec la surface, " Notes de Wardle.

Une gamme polyvalente

L'équipe a intégré un réseau tridimensionnel de nanotubes de carbone dans un dispositif microfluidique en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur et la photolithographie pour faire croître et modeler des nanotubes de carbone sur des plaquettes de silicium. Ils ont ensuite regroupé les nanotubes dans une forêt en forme de cylindre, mesurant environ 50 micromètres de haut et 1 millimètre de large, et centré le réseau dans une largeur de 3 millimètres, Canal microfluidique de 7 millimètres de long.

Les chercheurs ont recouvert les nanotubes de couches successives de solutions polymères chargées alternativement afin de créer des couches de liaison autour de chaque nanotube. Faire cela, ils ont fait couler chaque solution dans le canal et ont découvert qu'ils étaient capables de créer un revêtement plus uniforme avec un espace entre le sommet de la forêt de nanotubes et le toit du canal. Un tel écart a permis aux solutions de s'écouler, puis dans la forêt, revêtir chaque nanotube individuel. En l'absence d'écart, solutions simply flowed around the forest, coating only the outer nanotubes.

After coating the nanotube array in layers of polymer solution, the researchers demonstrated that the array could be primed to detect a given molecule, by treating it with antibodies that typically bind to prostate specific antigen (PSA). They pumped in a solution containing small amounts of PSA and found that the array captured the antigen effectively, throughout the forest, rather than just on the outer surface of a typical microfluidic element.

Wardle says that the nanotube array is extremely versatile, as the carbon nanotubes may be manipulated mechanically, electrically, and optically, while the polymer coatings may be chemically altered to capture a wide range of particles. He says an immediate target may be biomarkers called exosomes, which are less than 100 nanometers wide and can be important signals of a disease's progression.

"Science is really picking up on how much information these particles contain, and they're sort of everywhere, but really hard to find, even with large-scale equipment, " Wardle says. "This type of device actually has all the characteristics and functionality that would allow you to go after bioparticles like exosomes and things that really truly are nanometer scale."

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.