Les méthodes de fabrication conventionnelles telles que la lithographie douce et les processus de gaufrage à chaud peuvent être utilisées pour la bio-ingénierie de puces microfluidiques, bien qu'avec des limites, notamment la difficulté de préparer des structures multicouches, des processus de fabrication coûteux et fastidieux ainsi qu'une faible productivité.
Les scientifiques des matériaux ont introduit le traitement numérique de la lumière comme approche de microfabrication rentable pour les puces microfluidiques d'impression 3D, bien que la résolution de fabrication de ces microcanaux soit limitée à une échelle inférieure à 100 microns.
Dans un nouveau rapport publié dans Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo et une équipe scientifique en génie biomédical et en génie chimique en Chine ont développé une méthode innovante de traitement numérique de la lumière.
Ils ont proposé un modèle mathématique modifié pour prédire l'irradiation UV pour la photopolymérisation de la résine et ont guidé la fabrication de microcanaux avec une résolution accrue. La méthode avancée de microfabrication peut faciliter des développements majeurs dans la formation de microcanaux précis et évolutifs, ce qui constitue une prochaine étape importante pour des applications généralisées dans les stratégies basées sur la microfluidique en biomédecine.
Les puces microfluidiques offrent un outil puissant pour miniaturiser les applications de culture cellulaire 3D pour les applications de criblage et de test de médicaments et les analyses d'organes sur puce. Les méthodes conventionnelles de développement de puces microfluidiques incluent la lithographie douce et la fabrication de capillaires chauds avec un processus d'ingénierie complexe, une faible productivité et un coût élevé.
La bio-impression 3D a attiré une attention croissante pour concevoir et fabriquer de manière innovante des structures personnalisées à l’échelle microscopique. Les scientifiques des matériaux ont utilisé le traitement numérique de la lumière pour la photopolymérisation en cuve couche par couche afin de microfabriquer avec des résolutions allant jusqu'à des dizaines de microns avec une vitesse de traitement rapide et une facilité de fonctionnement.
Dans ce travail, Luo et ses collègues ont développé une nouvelle méthode de traitement numérique de la lumière pour la fabrication à haute résolution et à grande échelle de dispositifs microfluidiques par dosage et zonage de la polymérisation en cuve. L'équipe a affiné les paramètres d'impression et d'autres paramètres pour adapter avec précision la photopolymérisation des couches de résine voisines et éviter le blocage des canaux dû à une exposition excessive aux UV.
Comparé aux méthodes conventionnelles, le processus a permis le développement en un seul lot de jusqu'à 16 puces microfluidiques. La méthode actuelle peut faciliter des avancées majeures dans le développement de microcanaux précis et évolutifs, ce qui constituerait une avancée significative pour les dispositifs microfluidiques en biomédecine.
L'équipe a régulé le dosage de l'irradiation UV en appliquant des UV par étapes pour polymériser la résine couche par couche à l'aide d'un modèle mathématique. Lors d'une irradiation UV pendant une durée d'exposition spécifique, les scientifiques ont polymérisé une profondeur spécifique de la solution de résine. Ensuite, à l’aide du modèle mathématique, ils ont déterminé une méthode complète pour calculer le seuil de polymérisation de la résine. Le chemin d'impression incorporé dans l'œuvre a divisé avec précision le microcanal en couche inférieure, couche de canal et couche de toit.
Sur la base des résultats, les chercheurs ont proposé une version modifiée de la stratégie d'impression par processus de lumière numérique (DLP) pour fabriquer des microcanaux sensiblement petits par photopolymérisation en cuve régulée par dosage et zonage (en abrégé DZC-VPP). Ce processus divise les microcanaux en plusieurs couches. La capacité de réguler les zones pour chaque étape de projection a permis une régulation précise de la polymérisation locale de la résine, les scientifiques ont réussi à imprimer les canaux avec une résolution nettement plus élevée.
L'équipe a étudié la qualité d'impression de la nouvelle approche en la comparant à la méthode conventionnelle. Alors que la méthode conventionnelle conduisait à une mauvaise fidélité des canaux en raison de l’accumulation d’une exposition excessive aux UV, la nouvelle méthode offrait en revanche des microcanaux avec une fidélité d’impression considérablement améliorée pour permettre le développement de surfaces internes plus lisses au sein des microcanaux avec un impact significatif sur la manipulation des liquides. La méthode DZC-VPP est en outre hautement évolutive et rentable.
Stabilité mécanique des matériaux développés
Luo et ses collègues ont ensuite étudié la stabilité mécanique des dispositifs microfluidiques conçus avec la nouvelle méthode DZC-VPP et l'ont de nouveau comparé au processus conventionnel. Bien que la stabilité mécanique soit cruciale pour que les puces microfluidiques puissent tolérer une pression liquide élevée, les deux matériaux ont présenté des courbes contrainte-déformation similaires.
La puce fabriquée en DZC-VPP a montré une contrainte de fracture et une déformation significativement plus élevées que la puce DLP, ce qui indique que la nouvelle stratégie a amélioré à la fois la résolution d'impression et la stabilité mécanique des puces microfluidiques conçues.
Pour réaliser la génération microfluidique de gouttelettes, les scientifiques ont utilisé de l'eau pure comme phase aqueuse et une émulsion huile-glycol pour créer des gouttelettes aqueuses monodispersées. L'équipe a encapsulé les cellules avec des microgels dans les puces fabriquées en utilisant le système alginate. Pour prévenir la cytotoxicité de l'instrument, les chercheurs ont testé la biocompatibilité des puces à l'aide de microgels chargés de cellules.
Les cellules HeLa et les cellules mésenchymateuses de rat utilisées dans l'étude ont conservé leur viabilité cellulaire après encapsulation pour proliférer progressivement en amas de cellules, indiquant la nature biofriendly du dispositif microfluidique conçu par DZC-VPP. La méthode est également la mieux adaptée à d'autres applications liées aux cellules, notamment le développement d'instruments d'organes sur puce.
Par rapport au processus d'impression numérique conventionnel, la nouvelle méthode DC-VPP peut réguler la profondeur de pénétration des UV pour la photopolymérisation de la résine. Les résultats ont mis en évidence la fiabilité du nouveau processus d'impression haute résolution pour fabriquer des puces microfluidiques imprimées en 3D.
De cette manière, Zhuming Luo et l’équipe de recherche ont développé une nouvelle méthode de photopolymérisation en cuve régulée par dosage et zonage (en abrégé DZC-VPP) pour imprimer en 3D des microcanaux avec une résolution et une stabilité mécanique améliorées. L'équipe y est parvenue en proposant un modèle mathématique pour prédire l'irradiation UV accumulée pour la polymérisation de la résine, comme guide pour la conception et l'impression des microcanaux.
En utilisant cette approche, l’équipe a imprimé un microcanal avec une lithographie douce conventionnelle ou un gaufrage à chaud pour générer des gouttelettes monodispersées à haut débit et des microgels chargés de cellules. Cette méthode de microfabrication hautement efficace représente une étape clé pour la fabrication à haute résolution et à grande échelle de dispositifs microfluidiques pour des applications généralisées.
Plus d'informations : Zhiming Luo et al, Impression 3D par traitement numérique de la lumière pour puces microfluidiques avec une résolution améliorée via une photopolymérisation en cuve contrôlée par dosage et zonage, Microsystèmes et nano-ingénierie (2023). DOI :10.1038/s41378-023-00542-y
Fei Shao et al, Encapsulation microfluidique de cellules uniques par des microgels d'alginate à l'aide d'une stratégie de déclenchement-gélification, Frontières de la bio-ingénierie et de la biotechnologie (2020). DOI :10.3389/fbioe.2020.583065
Informations sur le journal : Microsystèmes et nano-ingénierie
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