En haut :Résumé de la nouvelle technologie. À gauche :Conception de la puce électronique et de la paroi coulissante pour la préconcentration d'ADN. À droite :photo de la puce électronique et de la paroi coulissante pour les expériences de compartimentation. Des colorants bleus et jaunes ont été ajoutés pour la visualisation. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-019-0125-7
Une équipe de recherche a récemment développé des « parois coulissantes » comme nouvelle technique de contrôle des fluides dans les dispositifs microfluidiques, permettant à des parois semi-rigides ou rigides de glisser à l'intérieur d'une puce microfluidique. Dans un nouveau rapport maintenant sur Nature :Microsystèmes &Nano-ingénierie , Bastien Venzac et une équipe de scientifiques de l'Institut Curie et Sorbonne Université à Paris, La France, conçu plusieurs fonctions fluidiques en utilisant la géométrie des parois coulissantes. Le dispositif contenait des vannes de commutation marche/arrêt pour bloquer ou reconfigurer les canaux en fonction de la géométrie du mur. L'installation contenait une membrane à base d'hydrogel à concentrer, purifier et transporter les biomolécules d'un canal à l'autre. La technique est compatible avec les méthodes de lithographie douce pour une mise en œuvre facile basée sur des flux de travail de fabrication typiques sur des puces de polydiméthylsiloxane (PDMS). La nouvelle méthode ouvre la voie à une variété d'applications microfluidiques, formant simple, dispositifs manuels pour les applications au point de service dans les laboratoires biologiques.
Les systèmes véritablement reconfigurables sont le rêve d'un ingénieur en microfluidique, où le remodelage décrit des systèmes intelligents construits dans des unités modulaires et assemblés pour une réorganisation rapide entre les expériences. Pour la plupart des systèmes microfluidiques, cependant, le réseau de canaux reste fixe pendant la microfabrication et ne peut pas être restructuré sur mesure pendant l'expérience. Les ingénieurs ne peuvent également effectuer que des changements de pompage, vannes ou utiliser des forces externes de l'électricité et des champs magnétiques. Pour répondre aux limites ou défis existants de la production microfluidique, Venzac et al. a proposé un nouveau concept d'actionnement microfluidique connu sous le nom de « parois coulissantes ». Le procédé est compatible avec la fabrication par lithographie douce mais ne nécessite pas d'équipement externe. Il peut être actionné manuellement et peut être inclus dans un seul composant de l'appareil.
Venzac et al. ont développé des parois coulissantes en utilisant plusieurs méthodes de fabrication pour les concevoir à l'intérieur de canaux ouverts de puces de polydiméthylsiloxane (PDMS). Le processus d'actionnement leur a permis d'ouvrir ou de fermer de manière réversible un canal de pompage de fluides, puis réorienter les flux pour reconfigurer à volonté un réseau microfluidique. L'équipe a décrit le principe de la méthode et démontré des fonctions simples, notamment la formation d'une plaque d'hydrogel pour s'adapter à quatre dimensions (4-D), culture cellulaire contrôlée, suivie d'une préconcentration d'ADN électrocinétique à base de membrane dans des compartiments microfluidiques. Ils ont mis en œuvre la technologie à faible coût pour un prototypage rapide et ont contrôlé manuellement les parois coulissantes pour plus de simplicité, l'équipe pourrait également automatiser entièrement les murs à l'aide de moteurs ou d'actionneurs contrôlés par ordinateur. La nouvelle boîte à outils est bien adaptée aux applications avec des dimensions de canaux microfluidiques supérieures à 100 µm et ne nécessite que peu d'éléments d'actionnement.
Principe du mur coulissant. Les structures PDMS contiennent un canal de guidage et un canal fluidique et ont été liées à une surface plane de PDMS. Dans cet exemple, une paroi coulissante avec un canal gravé a été insérée après fabrication de la puce à l'intérieur du canal de guidage. Le canal fluidique était a bloqué ou b libre. Les détails de l'intersection paroi coulissante/canal fluidique sont fournis dans les inserts. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-019-0125-7
Pour le principe général de conception, les chercheurs ont inséré une structure rigide/semi-rigide dans un canal de guidage de la puce microfluidique PDMS et ont utilisé divers matériaux pour développer des parois coulissantes, notamment (1) des films en acier inoxydable, (2) résine photopolymérisable photopolymérisée dans des moules en PDMS, et (3) résine photodurcissable moulée par impression 3D stéréolithographique. Ils ont sélectionné les techniques d'ingénierie adaptées à l'expérience en fonction de leurs propriétés intrinsèques et ont empêché le voilement ou la rupture des parois pendant l'actionnement en contrôlant la rigidité du matériau, préférant l'acier inoxydable pour la plupart des parois coulissantes minces. Pour les parois coulissantes plus grandes, ils ont utilisé la stéréolithographie conventionnelle et le micro-fraisage sur l'acier inoxydable pour inclure de petites caractéristiques sur une paroi coulissante.
Comme première preuve de concept, Venzac et al. préparé deux types de vannes :une vanne tout ou rien et une vanne à interrupteur métallique avec une entrée et deux sorties. Les vannes coulissantes sont principalement intéressantes en raison de leur aspect pratique dans les dispositifs d'organes sur puce et les constructions de culture cellulaire. Les chercheurs ont également montré l'utilisation de parois coulissantes comme seringues sur puce pour pomper manuellement des fluides et n'ont pas observé de fuite de liquide lors de la poussée ou de l'aspiration d'air dans les expériences. Les parois coulissantes étaient ingénieuses pour la construction de grandes chambres - l'équipe a ajouté deux rainures étroites sur le toit et le sol de la chambre pour guider une paroi coulissante verticale en acier inoxydable et réguler la communication entre les compartiments.
EN HAUT :Expériences de vannes. a Conception de la puce et de la paroi coulissante à base de résine photodurcissable pour l'expérience de la vanne tout ou rien. b Conception de la puce et de la paroi coulissante métallique pour l'expérience de la vanne de commutation. c Pression maximale supportée par les parois à base de résine (série jaune) et à base de métal (série grise) pour différents rapports entre les hauteurs et largeurs du canal de guidage et des parois coulissantes (trois expériences par condition). d Image fluorescente de la vanne de commutation avec de l'eau chargée de fluorescéine s'écoulant à travers le trajet ouvert (13 µl/s). EN BAS :Expérience de pompage. une conception de puce, b Images séquentielles du pompage d'eau chargée de fluorescéine à travers des chambres de 1 µl. La position du piston est indiquée par des lignes rouges en pointillés. c Déplacement de liquide versus déplacement absolu du piston (l'origine du piston a été fixée au début du remplissage de la première chambre), pour pousser (bleu) puis tirer (rouge), en moyenne sur quatre appareils différents. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-019-0125-7
L'équipe a finalement mené des tests de biofonctionnalisation à l'aide du nouveau dispositif et observé la culture cellulaire en 4D et la migration cellulaire. Dans cette expérience, ils ont chargé une solution de collagène fluorescent dans la moitié droite de la chambre, rempli la seconde moitié de tampon et mélangé les deux pour créer une plaque d'hydrogel. De tels hydrogels sont une exigence majeure pour développer des compartiments d'organes sur puce en 3D. Pour tester leur fonction biologique, Venzac et al. ont étudié la migration cellulaire avec des cellules dendritiques (cellules immunitaires) chargées dans la solution de collagène à l'intérieur d'une chambre. L'équipe a rempli le deuxième compartiment avec une solution de chimiokine et a retiré la paroi coulissante en acier inoxydable pour créer une interface droite permettant au chimiotactique de se diffuser sur la plaque de collagène pour que les cellules dendritiques migrent sur l'interface gel/solution, former une culture cellulaire 4-D.
Expériences de compartimentation. (a) Conception de la puce et de la paroi coulissante métallique. (b) Vues de dessus d'un essai d'étanchéité. A gauche :image lumineuse de la chambre. A droite :Image fluorescente de la chambre après 8 h. (c) Gradient de fluorescéine dans le compartiment tampon Tris-EDTA après placement d'un trou de 200 µm dans la paroi coulissante à l'intérieur de la chambre. Les limites des parois coulissantes et des trous sont indiquées par des lignes pointillées. Les traits de couleur correspondent à la surface de l'image avec une intensité supérieure à 12% de la valeur maximale (blanc :1 s, rouge :4 s, jaune :9 s, vert :14 s, cyan :50 s, bleu :110 s, magenta :170 s après le déplacement du mur). (d) Vue de dessus, image confocale codée en profondeur d'un fluorescent, plaque de collagène gélifié à droite, demi-fond de la chambre après enlèvement de la paroi coulissante. (e) Les trajectoires des cellules dendritiques à l'intérieur de la plaque de collagène avant l'enlèvement de la paroi coulissante (0 à 30 min) et après l'élimination de la paroi coulissante (30 à 240 min) se sont décomposées en deux périodes. Le premier n'a montré aucune migration préférentielle (30–120 min), tandis que les cellules sont attirées vers le compartiment chimiokine de 120 à 240 min. Les axes sont en micromètres, et l'axe vertical pointe à l'opposé du compartiment de la chimiokine. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-019-0125-7
Ils ont également électrocinétiquement préconcentré des macromolécules d'ADN, contrôlé leur transport et leur libération dans la nouvelle configuration. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé une membrane d'hydrogel mobile et reconfigurable dans les systèmes microfluidiques et a conçu une paroi coulissante avec une fenêtre intégrée en utilisant l'impression 3D haute résolution. Ils ont appliqué un champ électrique constant dans les canaux pour permettre la migration électrophorétique de l'ADN marqué avec une étiquette fluorescente dans une solution tampon. La taille des pores de l'hydrogel a empêché la migration de l'ADN, provoquant leur préconcentration au niveau de la membrane. Les scientifiques ont induit la libre circulation de l'ADN préconcentré dans la configuration, pour transporter des échantillons d'un canal à l'autre, comme voie nouvelle et simple pour la préparation et l'analyse des échantillons.
Expérience de préconcentration et de purification d'ADN. (a) Conception de la puce et de la paroi coulissante. Une membrane PEGDA (rose) a été photopolymérisée dans la fenêtre d'une paroi coulissante. Des flèches colorées indiquent l'emplacement des images suivantes avec la bordure colorée correspondante. (b) Préconcentration par électrophorèse de 100 µg d'ADN Lambda contre la membrane PEGDA dans une paroi coulissante imprimée en 3D. (c) Evolution dans le temps de la valeur moyenne de gris à l'intérieur du rectangle jaune de b). (d) Images fluorescentes de l'ADN pendant la préconcentration contre la membrane PEGDA, (e) après déplacement vers le deuxième canal et (f) libération électrophorétique. Barres d'échelle :250 µm. Les directions de migration ou de déplacement de l'ADN sont indiquées par les flèches jaunes. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi:10.1038/s41378-019-0125-7
De cette façon, Bastien Venzac et ses collègues ont développé une nouvelle boîte à outils pour innover dans l'utilisation de la microfluidique conventionnelle. Les parois coulissantes avaient des caractéristiques supplémentaires telles que des microcanaux ou des fenêtres avec des gels chargés et des solutions pour des applications potentielles au-delà de celles des valves classiques sur puce. Notamment, ils ont réalisé une culture cellulaire 4-D et une préconcentration d'ADN en utilisant la configuration à paroi coulissante unique. Les scientifiques envisagent la technique dans de larges applications pour les environnements biomédicaux à faible coût et à faible technologie.
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