Les défis de longue date de la recherche biomédicale, tels que la surveillance de la chimie du cerveau et le suivi de la propagation des médicaments dans l'organisme, nécessitent des capteurs beaucoup plus petits et plus précis. Un nouveau capteur à l'échelle nanométrique capable de surveiller des zones 1 000 fois plus petites que la technologie actuelle et de suivre des changements subtils dans le contenu chimique des tissus biologiques avec une résolution inférieure à la seconde, surpassant largement les technologies standards.
Le dispositif, développé par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, est à base de silicium et tire parti des techniques développées pour la fabrication de produits microélectroniques. La petite taille de l'appareil lui permet de collecter le contenu chimique avec une efficacité proche de 100 % dans des régions hautement localisées de tissus en une fraction de seconde. Les capacités de ce nouvel appareil de nanodialyse sont rapportées dans la revue ACS Nano .
"Avec notre appareil de nanodialyse, nous prenons une technique établie et la poussons dans un nouvel extrême, rendant les problèmes de recherche biomédicale qui étaient impossibles auparavant tout à fait réalisables maintenant", a déclaré Yurii Vlasov, professeur de génie électrique et informatique à l'Université d'I. -responsable de l'étude. "De plus, puisque nos appareils sont fabriqués sur silicium à l'aide de techniques de fabrication microélectronique, ils peuvent être fabriqués et déployés à grande échelle."
La nanodialyse est basée sur une technique appelée microdialyse dans laquelle une sonde dotée d'une fine membrane est insérée dans un tissu biologique. Les produits chimiques traversent la membrane et se retrouvent dans un fluide qui est pompé pour analyse. La possibilité d'échantillonner directement des tissus a eu un impact majeur dans des domaines tels que les neurosciences, la pharmacologie et la dermatologie.
La microdialyse traditionnelle a cependant des limites. Les sondes échantillonnent sur quelques millimètres carrés, elles ne peuvent donc mesurer la composition moyenne que sur des régions relativement grandes du tissu. La grande taille entraîne également un certain degré de lésion des tissus lorsque la sonde est insérée, ce qui peut fausser les résultats de l'analyse. Enfin, le fluide pompé à travers la sonde s'écoule à un débit relativement élevé, ce qui a un impact sur l'efficacité et la précision avec lesquelles les concentrations chimiques peuvent être lues.
"De nombreux problèmes liés à la microdialyse traditionnelle peuvent être résolus en utilisant un appareil beaucoup plus petit", a déclaré Vlasov. "Réduire la taille de la nanodialyse signifie plus de précision, moins de dommages dus au placement des tissus, une cartographie chimique des tissus avec une résolution spatiale plus élevée et un temps de lecture beaucoup plus rapide permettant une image plus détaillée des changements dans la chimie des tissus."
La caractéristique la plus importante de la nanodialyse est le débit ultra-lent du fluide pompé à travers la sonde. En rendant le débit 1 000 fois plus lent que celui de la microdialyse traditionnelle, l'appareil capture la composition chimique des tissus collectés sur une zone 1 000 fois plus petite que les techniques traditionnelles tout en conservant une efficacité de 100 %.
"En diminuant considérablement le débit, cela permet aux produits chimiques diffusés dans la sonde de correspondre aux concentrations extérieures dans les tissus", a expliqué Vlasov. "Imaginez que vous ajoutez du colorant dans un tuyau avec de l'eau qui coule. Si le débit est trop rapide, le colorant se dilue à des concentrations difficiles à détecter. Pour éviter la dilution, vous devez baisser l'eau presque complètement."
Les dispositifs de microdialyse standard sont construits à l’aide de sondes en verre et de membranes polymères, ce qui rend leur miniaturisation difficile. Pour construire des dispositifs adaptés à la nanodialyse, les chercheurs ont utilisé des techniques développées pour la fabrication de puces électroniques afin de créer un dispositif basé sur le silicium.
"En plus de nous permettre de réduire notre taille, la technologie du silicium rend les appareils moins chers", a déclaré Vlasov. "En investissant du temps et des efforts pour développer un processus de fabrication permettant de construire nos nanodispositifs sur silicium, il est désormais très simple de les fabriquer à l'échelle industrielle à un coût incroyablement bas."
Rashid Bashir, professeur de bio-ingénierie à l'Université d'I. et doyen du Grainger College of Engineering, a codirigé le projet.
Plus d'informations : Insu Park et al, Échantillonnage chimique hautement localisé à une résolution temporelle inférieure à la seconde activé avec une plate-forme de nanodialyse au silicium à des débits de nanolitres par minute, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c09776
Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois
