A l'intérieur de ces fibres, les gouttelettes sont en mouvement: Dispositif microfluidique pour le mélange, séparation, et les fluides de test peuvent ouvrir de nouvelles possibilités de dépistage médical

dispositifs microfluidiques sont des systèmes minuscules avec des canaux microscopiques qui peuvent être utilisés pour les essais chimiques ou biomédicale et de la recherche. Dans une avance potentiellement changement de jeu, les chercheurs du MIT ont maintenant incorporé des systèmes microfluidiques en fibres individuelles, permettant de traiter des volumes beaucoup plus de liquide, de façon plus complexe. Dans un sens, l'avancée ouvre une nouvelle ère « macro » de la microfluidique.

En intégrant des fils conducteurs avec des canaux microfluidiques en fibres longues, les chercheurs ont pu démontrer la possibilité de trier les cellules - dans ce cas, séparer les cellules vivantes de morts, parce que les cellules réagissent différemment à un champ électrique. Les cellules vivantes, en vert, sont tirés vers le bord extérieur des canaux, tandis que les cellules mortes (rouge) sont tirés vers le centre, ce qui leur permet d'être envoyé dans des canaux séparés.

Illustrations courtoisie des chercheurs.

dispositifs traditionnels microfluidiques, développé et largement utilisé au cours des deux dernières décennies, sont fabriqués sur des structures en forme de puce et de fournir les moyens de mélange, séparation, et fluides en volumes tests microscopiques. Des tests médicaux qui ne nécessitent une petite goutte de sang, par exemple, souvent compter sur microfluidique. Mais l'échelle diminutif de ces dispositifs pose aussi des limites; par exemple, ils ne sont généralement pas utiles pour les procédures qui ont besoin de plus grands volumes de liquide pour détecter des substances présentes dans des quantités infimes.

Une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un moyen de contourner cela, en faisant canaux microfluidiques à l'intérieur des fibres. Les fibres peuvent être faites aussi longtemps que nécessaire pour recevoir un débit plus important, et ils offrent une grande flexibilité et un contrôle sur les formes et les dimensions des canaux. Le nouveau concept est décrit dans un article paru cette semaine dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences, écrit par étudiant diplômé du MIT Rodger Yuan, professeurs Joel Voldman et Yoel Fink, et quatre autres.

Une approche multidisciplinaire

Le projet est né à la suite d'un événement « speedstorming » (un amalgame de remue-méninges et speed dating, une idée initiée par le professeur Jeffrey Grossman) qui a été initié par Fink quand il a été directeur du Laboratoire de recherche du MIT de l'électronique. Les événements ont pour but d'aider les chercheurs à développer de nouveaux projets de collaboration, en ayant des paires d'étudiants et postdoctorants brainstorming pendant six minutes à la fois et venir avec des centaines d'idées en une heure, qui sont classés et évalués par un panel. Dans cette session particulière speedstorming, les étudiants en génie électrique ont travaillé avec d'autres dans la science des matériaux et de la technologie des microsystèmes pour développer une nouvelle approche pour le tri cellulaire en utilisant une nouvelle classe de fibres multimatériaux.

Yuan explique que, bien que la technologie microfluidique a été largement développé et largement utilisé pour le traitement de petites quantités de liquide, il souffre de trois limites inhérentes liées à la taille globale des dispositifs, leur profil de canal, et la difficulté d'incorporation des matières supplémentaires telles que des électrodes.

Parce qu'ils sont généralement fabriqués à l'aide des méthodes de fabrication de puces, des dispositifs microfluidiques sont limités à la taille des tranches de silicium utilisées dans de tels systèmes, qui ne sont pas plus d'environ 8 pouces de diamètre. Et les méthodes de photolithographie utilisées pour fabriquer ces puces limitent les formes des canaux; ils ne peuvent avoir des sections transversales carrées ou rectangulaires. finalement, tous les matériaux supplémentaires, comme électrodes pour la détection ou la manipulation du contenu des canaux, doivent être individuellement mis en place dans un processus séparé, limitant sévèrement leur complexité.

« La technologie de la puce de silicium est vraiment bon à faire des profils rectangulaires, mais au-delà de tout ce qui nécessite des techniques très spécialisées,» Dit Yuan, qui a effectué le travail dans le cadre de ses recherches de doctorat. « Ils peuvent faire des triangles, mais seulement avec certains angles spécifiques. » Avec la nouvelle méthode à base de fibres lui et son équipe a développé, une variété de formes transversales pour les canaux peuvent être mis en œuvre, y compris étoiles, traverser, ou des formes de Bowtie qui peuvent être utiles pour des applications particulières, telles que le tri automatiquement les différents types de cellules dans un échantillon biologique.

en outre, pour microfluidique conventionnel, des éléments tels que capteurs ou des fils chauffants, ou des dispositifs piézo-électriques pour induire des vibrations dans les fluides de l'échantillon, il faut ajouter à un stade de traitement ultérieur. Mais ils peuvent être complètement intégrés dans les canaux dans le nouveau système à base de fibres.

Un profil rétrécissement

Comme d'autres systèmes de fibres complexes développés au fil des ans dans le laboratoire de co-auteur Yoel Fink, professeur de science des matériaux et l'ingénierie et la tête des tissus fonctionnels avancés d'Amérique (AFFOA) consortium, ces fibres sont fabriquées en partant d'un cylindre de polymère surdimensionné appelé une préforme. Ces préformes contiennent exactement la forme et les matériaux souhaitée pour la fibre finale, mais sous une forme beaucoup plus - ce qui les rend beaucoup plus facile à faire dans des configurations très précises. ensuite, la préforme est chauffé et chargé dans une tour de chute, où il est tiré lentement à travers une buse qu'elle resserre à une fibre étroite qui est un quarantième du diamètre de la préforme, tout en préservant toutes les formes internes et arrangements.

Dans le processus, le matériau est également allongée par un facteur de 1,600, de sorte qu'une longueur de 100 millimètres (4-pouces de long) préforme, par exemple, devient une fibre 160 mètres de long (sur 525 pieds), ainsi surmonter considérablement les limites de longueur inhérente aux dispositifs microfluidiques présents. Cela peut être crucial pour certaines applications, telles que la détection d'objets microscopiques qui existent à des concentrations très faibles dans le fluide - par exemple, un petit nombre de cellules cancéreuses parmi des millions de cellules normales.

« Parfois, vous avez besoin de traiter beaucoup de matériel, car ce que vous cherchez est rare,» Dit Voldman, un professeur de génie électrique qui se spécialise dans la microtechnique biologique. Cela fait de cette nouvelle technologie microfluidique à base de fibres particulièrement approprié pour de telles utilisations, il dit, parce que « les fibres peuvent être arbitrairement longues,” laissant plus de temps au liquide pour rester à l'intérieur du canal et interagir avec lui.

Alors que les dispositifs microfluidiques traditionnels peuvent créer de longs canaux en faisant des allers-retours sur une petite puce, les torsions et les virages qui en résultent modifient le profil du canal et affectent la façon dont le liquide s'écoule, alors que dans la version fibre, ceux-ci peuvent être fabriqués aussi longtemps que nécessaire, sans changement de forme ou de direction, permettant un flux ininterrompu, Yuan dit.

Le système permet également d'incorporer des composants électriques tels que des fils conducteurs dans la fibre. Ceux-ci peuvent être utilisés par exemple pour manipuler des cellules, en utilisant une méthode appelée diélectrophorèse, dans lequel les cellules sont affectées différemment par un champ électrique produit entre deux fils conducteurs sur les côtés du canal.

Avec ces fils conducteurs dans le microcanal, on peut contrôler la tension pour que les forces « poussent et tirent sur les cellules, et vous pouvez le faire à des débits élevés," dit Voldman.

En guise de démonstration, l'équipe a créé une version du dispositif à fibre à long canal conçu pour séparer les cellules, trier les cellules mortes des vivantes, et a prouvé son efficacité dans l'accomplissement de cette tâche. Avec un développement ultérieur, ils s'attendent à pouvoir effectuer une discrimination plus subtile entre les types de cellules, Yuan dit.

"Pour moi, c'était un merveilleux exemple de la façon dont la proximité entre les groupes de recherche d'un laboratoire interdisciplinaire comme RLE conduit à des recherches révolutionnaires, initié et dirigé par un étudiant diplômé. Nous, les professeurs, avons été essentiellement entraînés par nos étudiants," dit Fink.

Les chercheurs soulignent qu'ils ne voient pas la nouvelle méthode comme un substitut à la microfluidique actuelle, qui fonctionnent très bien pour de nombreuses applications. "Il ne s'agit pas de remplacer; il est destiné à augmenter » les méthodes actuelles, Voldman dit, permettant de nouvelles fonctions pour des utilisations particulières qui n'étaient pas possibles auparavant.

« Illustrer le pouvoir de la collaboration interdisciplinaire, une nouvelle compréhension naît ici de combinaisons inattendues de fabrication, la science des matériaux, physique des flux biologiques, et conception de microsystèmes," dit Amy Herr, professeur de bioingénierie à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à cette recherche. Elle ajoute que ce travail "ajoute d'importants degrés de liberté - concernant la géométrie de la section transversale des fibres et les propriétés des matériaux - aux stratégies émergentes de conception microfluidique à base de fibres".

La source: http://news.mit.edu, par David L. shipchandler