Une équipe de recherche de l’Université du Minnesota Twin Cities a développé une nouvelle puce microfluidique pour le diagnostic des maladies qui utilise un nombre minimal de composants et peut être alimentée sans fil par un smartphone. L’innovation ouvre la porte à des tests médicaux à domicile plus rapides et plus abordables.
L’article des chercheurs est publié dans Communication Nature, une revue scientifique à comité de lecture, en libre accès, publiée par Nature Research. Les chercheurs travaillent également à commercialiser la technologie.
La microfluidique implique l’étude et la manipulation de liquides à très petite échelle. L’une des applications les plus populaires dans le domaine est le développement de la technologie « laboratoire sur puce », ou la capacité de créer des dispositifs capables de diagnostiquer des maladies à partir d’un très petit échantillon biologique, de sang ou d’urine, par exemple.
Les scientifiques disposent déjà d’appareils portables pour diagnostiquer certaines conditions – des tests rapides d’antigène COVID-19, par exemple. Cependant, un obstacle majeur à la conception de puces de diagnostic plus sophistiquées qui pourraient, par exemple, identifier la souche spécifique de COVID-19 ou mesurer des biomarqueurs comme le glucose ou le cholestérol, est le fait qu’elles ont besoin de tant de pièces mobiles.
Des puces comme celles-ci nécessiteraient des matériaux pour sceller le liquide à l’intérieur, des pompes et des tubes pour manipuler le liquide, et des fils pour activer ces pompes – tous des matériaux difficiles à réduire au niveau micro. Des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities ont pu créer un dispositif microfluidique qui fonctionne sans tous ces composants volumineux.
Les chercheurs ont eu beaucoup de succès en ce qui concerne la mise à l’échelle des appareils électroniques, mais la capacité à manipuler des échantillons liquides n’a pas suivi. Il n’est pas exagéré de dire qu’un système de laboratoire sur puce microfluidique à la pointe de la technologie demande beaucoup de travail à assembler. Notre pensée était, pouvons-nous simplement nous débarrasser du matériau de couverture, des fils et des pompes et faire simple ? »
Sang-Hyun Oh, auteur principal de l’étude, professeur au Département de génie électrique et informatique, Université du Minnesota Twin Cities
De nombreuses technologies de laboratoire sur puce fonctionnent en déplaçant des gouttelettes de liquide sur une micropuce pour détecter les agents pathogènes viraux ou les bactéries à l’intérieur de l’échantillon. La solution des chercheurs de l’Université du Minnesota a été inspirée par un phénomène particulier du monde réel avec lequel les buveurs de vin seront familiers : les « jambes », ou longues gouttelettes qui se forment à l’intérieur d’une bouteille de vin en raison de la tension superficielle causée par l’évaporation de l’alcool.
À l’aide d’une technique mise au point par le laboratoire d’Oh au début des années 2010, les chercheurs ont placé de minuscules électrodes très proches les unes des autres sur une puce de 2 cm sur 2 cm, qui génèrent de puissants champs électriques qui tirent les gouttelettes à travers la puce et créent une « jambe » de liquide similaire à détecter les molécules à l’intérieur.
Parce que les électrodes sont placées si près les unes des autres (avec seulement 10 nanomètres d’espace entre elles), le champ électrique résultant est si fort que la puce n’a besoin que de moins d’un volt d’électricité pour fonctionner. Cette tension incroyablement basse requise a permis aux chercheurs d’activer la puce de diagnostic en utilisant les signaux de communication en champ proche d’un smartphone, la même technologie utilisée pour le paiement sans contact dans les magasins.
C’est la première fois que des chercheurs ont pu utiliser un smartphone pour activer sans fil des canaux étroits sans structures microfluidiques, ouvrant la voie à des dispositifs de diagnostic à domicile moins chers et plus accessibles.
« Il s’agit d’un nouveau concept très excitant », a déclaré Christopher Ertsgaard, auteur principal de l’étude et récent ancien élève du CSE (ECE Ph.D. ’20). « Pendant cette pandémie, je pense que tout le monde a réalisé l’importance des diagnostics à domicile, rapides et au point de service. Et il existe des technologies disponibles, mais nous avons besoin de techniques plus rapides et plus sensibles. Avec la mise à l’échelle et la fabrication à haute densité, nous peut apporter ces technologies sophistiquées aux diagnostics à domicile à un coût plus abordable. »
Le laboratoire d’Oh travaille avec la start-up du Minnesota GRIP Molecular Technologies, qui fabrique des dispositifs de diagnostic à domicile, pour commercialiser la plate-forme de micropuce. La puce est conçue pour avoir de larges applications pour la détection de virus, d’agents pathogènes, de bactéries et d’autres biomarqueurs dans des échantillons liquides.
« Pour réussir sur le plan commercial, les diagnostics à domicile doivent être peu coûteux et faciles à utiliser », a déclaré Bruce Batten, fondateur et président de GRIP Molecular Technologies. « Le mouvement des fluides à basse tension, comme ce qu’a réalisé l’équipe du professeur Oh, nous permet de répondre à ces deux exigences. Le GRIP a eu la chance de collaborer avec l’Université du Minnesota sur le développement de notre plateforme technologique. Lier recherche fondamentale et translationnelle est crucial pour développer un pipeline de produits innovants et transformationnels. »
En plus d’Oh et Ertsgaard, l’équipe de recherche comprenait Daniel Klemme (Ph.D. ’19) et Daehan Yoo (Ph.D. ’16) et Ph.D., anciens élèves du Département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota. étudiant Peter Christenson.
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (NSF). Oh a reçu le soutien de la chaire dotée de Sanford P. Bordeau à l’Université du Minnesota et de la chaire de professeur de l’Université McKnight. La fabrication du dispositif a été réalisée au Minnesota Nano Center de l’Université du Minnesota, qui est soutenu par la NSF par le biais de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI).
