Actuellement, nous nous efforçons de freiner la propagation du COVID-19. Alors que des restrictions à grande échelle peuvent entraver le virus, des tests de diagnostic précis et rapides peuvent aider les services de santé à mieux surveiller et contenir le virus. Pour ça, des appareils de test appropriés sont nécessaires, tels que ceux basés sur les technologies de laboratoire sur puce où les échantillons de test sont mélangés avec des molécules de détection qui se lient au virus et émettent ensuite un signal tel que la lumière. Pour son doctorat. recherche, Sophia E. Shanko a exploré comment ce processus de liaison peut être accéléré en utilisant le mélange de particules magnétiques, ce qui peut avoir des implications importantes pour les futurs dispositifs de test de diagnostic. Shanko soutient sa thèse le 10 mai au département de génie mécanique.

COVID-19 ne connaît ni frontières ni frontières et s'est propagé comme une traînée de poudre à travers les pays et les continents. Alors que les restrictions sociétales, comme les confinements, peut limiter sa propagation, le besoin de tests diagnostiques rapides au point de service demeure.

« Les tests rapides permettent une identification rapide des cas, et la fourniture de traitements rapides et adaptés aux personnes infectées, " dit Sophia Shanko, doctorat chercheur dans le groupe de recherche Microsystèmes sous la direction de Jaap den Toonder. « De tels tests aideraient non seulement à fournir aux gens des traitements en temps opportun, mais informeraient également les décideurs qui pourront ensuite imposer des mesures de confinement locales. Et ces tests ne concernent pas uniquement le COVID-19, ils pourraient être utilisés pour tester d'autres infections virales à l'avenir."

Appareils de laboratoire sur puce

De nombreux dispositifs de test nouveaux et innovants sont basés sur des technologies de laboratoire sur puce. Ces dispositifs présentent de nombreux avantages tels qu'un large éventail d'applications, petite taille, et des capacités d'analyse rapides. Dans ces appareils, un échantillon (comme du sang), qui doit être testé pour une molécule cible (comme un anticorps qui signale la présence d'un virus), est mélangé à un fluide contenant des molécules de détection pouvant se lier à la molécule cible. Si la cible est présente, la liaison avec la molécule de détection génère un signal tel que la lumière.

"Le processus de reliure dans ces appareils doit être rapide et précis, et ceci peut être réalisé en s'assurant que les molécules de détection sont soigneusement mélangées avec l'échantillon d'essai dès que possible, " dit Shanko, qui a également remporté le FameLab TU/e ​​2020 où elle a parlé de son doctorat. recherche. « Les dimensions très réduites des technologies lab-on-chip ne permettent le mélange que par diffusion moléculaire, le mouvement inhérent des molécules dans un fluide en raison des différences de température et de concentration. Cependant, c'est un processus qui prend du temps."

FOURMILLEMENT

Les effets néfastes de la diffusion moléculaire lente peuvent être partiellement annulés en utilisant des méthodes passives ou actives. Pour le premier, des structures géométriques sont incluses dans le dispositif d'essai, tandis que dans ce dernier, forces externes, comme les forces magnétiques, peut être utilisé pour modifier le débit de manière contrôlée. Ces derniers ont été étudiés pour produire des capacités de mélange élevées et contrôlées à un coût relativement faible.

Dans ses recherches, Shanko s'est tourné vers les forces magnétiques pour accélérer la diffusion moléculaire, et à son tour accélérer le processus de détection en augmentant les chances d'événements de liaison à la molécule de détection cible. "Mélanger des particules magnétiques (ou microbilles) avec les échantillons à tester et les molécules de détection présente de nombreux avantages. Nous pouvons contrôler le mouvement de ces particules à l'aide de champs magnétiques externes, et surtout, ces particules n'entravent pas les performances de détection."

La force et la fréquence du champ magnétique externe jouent un rôle clé pour dicter la façon dont les microbilles se déplacent dans le fluide, qui à son tour affecte le mélange. "Il y a un "sweet spot" pour les paramètres contrôlant le champ magnétique où les microbilles se déplacent selon des motifs comme ceux observés dans l'essaimage d'oiseaux. Le mélange des billes avec l'échantillon de test conduit alors à une liaison plus rapide entre les cibles et les molécules de détection, et un résultat de test plus rapide."

Sur les champignons et les microflaps

L'essaimage de microbilles est un exemple de mélange dynamique, mais Shanko a également étudié des alternatives pour générer un mixage dynamique, où les billes magnétiques sont contrôlées par des structures magnétiques statiques externes en forme de champignon pour aider à induire ce mélange. Il est scientifiquement très intéressant de voir comment se comportent les billes magnétiques et d'observer la cinétique du fluide qu'elles, à son tour, causer. "Bien que les structures en forme de champignon puissent générer des vitesses de fluide très élevées qui pourraient induire un mélange efficace, ils ont fini par affecter négativement le processus de mélange global."

Finalement, Shanko a examiné l'inclusion de volets magnétiques fixés à la base des dispositifs de laboratoire sur puce qui étaient contrôlés à l'aide du champ magnétique externe. "Les microflaps améliorent le mélange des molécules de détection dans l'échantillon, mais d'autres expériences sont nécessaires pour mieux comprendre leur effet."

Penser les applications et l'avenir

Alors que COVID-19 s’empare toujours du monde, des tests de diagnostic précis pour le virus seront nécessaires pendant un certain temps. "La pandémie nous a montré qu'il est nécessaire de réaliser des tests de diagnostic rapides et efficaces. Mes recherches montrent que la détection de molécules d'anticorps dans les dispositifs de laboratoire sur puce pourrait être accélérée grâce à l'utilisation de microbilles magnétiques et de champs magnétiques externes. Cette technologie est nécessaires à l'avenir pour nous aider à mieux surveiller la présence et la propagation des épidémies à l'avenir. »

Pour ce lauréat FameLab TU/e, la prochaine étape est le développement de sa start-up de diagnostic. Shanko : « Je suis très heureux des résultats de ma recherche de doctorat qui sont traduits dans plusieurs articles scientifiques. C'est formidable de voir que le micro-mélange de billes magnétiques a le potentiel pour des diagnostics rapides et de haute précision. D. touche à sa fin, mon amour pour le diagnostic n'en est qu'à ses débuts."