Quand vous pensez aux micro- ou nanotechnologies, vous pensez probablement à de petits appareils électroniques comme votre téléphone, un petit robot ou une puce électronique. Mais les tests COVID-19 – qui se sont avérés essentiels pour contrôler la pandémie – sont également une forme de technologie miniaturisée. De nombreux tests COVID-19 peuvent donner des résultats en quelques heures sans qu'il soit nécessaire d'envoyer un échantillon à un laboratoire, et la plupart de ces tests utilisent une approche appelée microfluidique.

Je suis professeur de bio-ingénierie et je travaille avec la microfluidique pour mes recherches. Tout, des tests de grossesse aux bandelettes de glucose en passant par les imprimantes à jet d'encre et les tests génétiques, repose sur la microfluidique. Cette technologie, à l'insu de beaucoup de gens, est partout et essentiel à de nombreuses choses qui font tourner le monde moderne.

Qu'est-ce que la microfluidique ?

Les systèmes microfluidiques sont tout dispositif qui traite de minuscules quantités de liquides. Les fluides circulent dans des canaux plus fins qu'un cheveu, et de minuscules valves peuvent activer et désactiver le débit. Ces canaux sont faits de matériaux tels que le verre, polymères, papier ou gels. Une façon de déplacer les fluides est d'utiliser une pompe mécanique; une autre façon est d'utiliser les charges de surface de certains matériaux; et une autre encore consiste à utiliser ce qu'on appelle l'action capillaire, plus communément appelée mèche. La mèche est le processus par lequel l'énergie stockée dans le liquide propulse le liquide à travers des espaces étroits.

A petite échelle, les fluides se comportent de manière non intuitive. Imaginez pas le turbulent, écoulement chaotique sortant d'un tuyau d'arrosage ou de votre pomme de douche. Au lieu, dans les volumes resserrés d'un microcanal, les flux sont étrangement stables. Les fluides descendent le canal dans des flux parallèles organisés, appelés flux laminaires. Le flux laminaire est l'une des grandes merveilles des systèmes microfluidiques. Les fluides et les particules dans le flux laminaire suivent des chemins mathématiquement prévisibles, une nécessité pour l'ingénierie de précision et la conception de dispositifs médicaux.

Ces processus, inspirants pour les chercheurs, existent dans la nature depuis des éons. Les plantes transportent les nutriments de leurs racines jusqu'aux branches les plus hautes par capillarité, l'inspiration pour les circuits microfluidiques qui sont alimentés de manière autonome. Imitant les propriétés physiques des gouttes de pluie, les chimistes ont conçu des appareils qui décomposent un échantillon en millions de gouttelettes et les analysent à des vitesses vertigineuses. Chaque gouttelette est essentiellement un minuscule laboratoire de chimie qui permet aux chimistes d'étudier l'évolution des biomolécules et d'effectuer des analyses génétiques ultra-rapides, entre autres.

Et enfin, chaque recoin du corps humain est microfluidique. Nous ne pourrions pas naître ou fonctionner sans capillaires sanguins complexes qui apportent de la nourriture, l'oxygène et des molécules de signalisation à chaque cellule.

Les avantages de la petite technologie

Tout comme la microélectronique, la taille est la clé en microfluidique.

Au fur et à mesure que les composants deviennent plus petits, les appareils peuvent s'appuyer sur les propriétés étranges des liquides à de minuscules échelles, peuvent fonctionner plus rapidement et plus efficacement et sont moins chers à fabriquer. La révolution de la microfluidique s'est appuyée en silence sur son homologue électronique.

Un autre avantage majeur des dispositifs microfluidiques est qu'ils ne nécessitent que de très petites quantités de liquide et peuvent donc être de petite taille. La NASA envisage depuis longtemps des analyseurs microfluidiques pour ses rovers martiens. L'analyse de fluides précieux, comme le sang humain, bénéficie également de la possibilité d'utiliser de petits échantillons. Par exemple, Les glucomètres sont des instruments microfluidiques qui ne nécessitent qu'une goutte de sang pour mesurer la glycémie d'un diabétique.

Microfluidique en tech, biologie et médecine

Il y a de fortes chances que vous utilisiez la microfluidique assez souvent dans votre vie. Les imprimantes à jet d'encre tirent de minuscules gouttelettes d'encre. Les imprimantes 3D extraient le polymère fondu à travers une buse microfluidique. L'encre des stylos-plumes et des stylos à bille s'écoule selon des principes microfluidiques. Les nébuliseurs pour patients asthmatiques vaporisent un brouillard de gouttelettes de médicament microscopiques. Un test de grossesse repose sur le flux d'urine dans une bande de papier microfluidique.

Dans la recherche scientifique, la microfluidique peut diriger des médicaments, nutriments ou tout fluide à des parties très spécifiques des organismes pour simuler plus précisément les processus biologiques.

Par exemple, les chercheurs ont piégé des vers dans des canaux et les ont stimulés avec des odeurs pour en apprendre davantage sur les circuits neuronaux. Une autre équipe a dirigé les nutriments vers des zones spécifiques d'une racine de plante pour observer différentes réactions aux produits chimiques de croissance. D'autres groupes ont conçu des pièges microfluidiques qui capturent physiquement les cellules tumorales rares du sang. Des multitudes de puces génétiques microfluidiques permettent de séquencer rapidement le génome humain et de faire des tests ADN personnalisés tels que 23andMe une réalité. Rien de tout cela n'aurait été possible sans la microfluidique.

L'avenir de la microfluidique

La microfluidique sera essentielle pour faire entrer la médecine dans un nouveau rapide, ère abordable. Les dispositifs portables qui mesurent les substances dans la sueur pour la surveillance de l'exercice et les dispositifs implantables qui administrent localement des médicaments anticancéreux à la tumeur d'un patient sont quelques-unes des prochaines frontières de la microfluidique biomédicale.

Les chercheurs développent des complexes, systèmes microfluidiques fascinants appelés organes sur puce qui visent à simuler divers aspects de la physiologie humaine. Dans mon propre laboratoire et d'autres laboratoires à travers le monde, des équipes développent des plateformes de tumeurs sur puce pour tester plus efficacement les médicaments contre le cancer. Ces avatars de patients permettront aux scientifiques de tester de nouveaux traitements d'une manière qui n'entraîne pas de coût, la souffrance et les problèmes éthiques associés aux tests sur les animaux ou sur les humains. Dans mon labo, nous disséquons d'abord une biopsie tumorale d'un patient cancéreux en milliers de morceaux réguliers microscopiques que nous gardons en vie. En raison de leur petite taille, nous pouvons utiliser la microfluidique pour piéger les minuscules morceaux de tumeur dans plusieurs puits, un puits par médicament. Ces échantillons conservent l'environnement cellulaire approprié de la tumeur, ce qui nous permettra de prédire avec plus de précision comment un médicament fonctionnera pour une personne spécifique.

Imaginez aller chez le médecin, obtenir une biopsie extraite, et en moins d'une semaine, en utilisant notre dispositif microfluidique, le médecin peut déterminer quel cocktail de médicaments fonctionne le mieux pour enlever votre tumeur. C'est encore dans le futur, mais ce que nous savons, c'est que l'avenir sera microfluidique.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.