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Côté recherche

Vers une microfluidique moins coûteuse et plus facile à implémenter

Publié le 18 octobre 2016 par Patrick RENARD
Source : CEA-Leti

Pour faciliter la diffusion de la technologie microfluidique, les chercheurs du Leti, institut CEA Tech, poursuivent deux objectifs : baisser les coûts, en développant des matériaux économiques, et faciliter la fabrication des dispositifs, en standardisant leurs composants ou leurs techniques d’assemblage.

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Claude Vauchier

Auteur : Claude Vauchier, chef du service Bio System on Chip au CEA-Leti.

Le déploiement des dispositifs "près du patient" (Point of Care), qui sont destinés au diagnostic ou au suivi médical, s'intensifie, que ce soit chez le médecin, à la pharmacie ou chez le patient. Ces dispositifs doivent être portables, faciles d’utilisation et accessibles en termes de prix.

Du papier pour baisser les coûts...

Il est notamment possible de répondre à ces exigences par l'emploi de matériaux plus économiques. Les substrats généralement utilisés pour la microfluidique sont le silicium, le plastique, ou bien encore le papier. Ce dernier est particulièrement attractif pour réaliser des dispositifs peu onéreux. Il est à la fois disponible, portable et biocompatible. Des bandelettes de papier sont déjà utilisées dans les tests de grossesse et les tests de glycémie. La grande majorité de ces dispositifs utilisent le caractère hydrophile des fibres de cellulose pour provoquer un écoulement par capillarité du fluide échantillon.

Ce matériau se heurte néanmoins aux problèmes inhérents à l’écoulement au sein d’une matrice fibreuse : une forte rétention, une possible filtration non souhaitée, voire un colmatage, etc.

Les ingénieurs-chercheurs du CEA-Leti ont développé une technologie alternative consistant à "embosser" un papier dont la surface aura été auparavant rendue étanche et hydrophile. En créant ainsi des reliefs dans le papier, le liquide peut s’écouler par capillarité dans les canaux, sans être absorbé.

...ou bien de la mousse polyuréthane

Si les propriétés du papier en font un matériau intéressant pour le milieu de la santé, les mousses en polyuréthane possèdent elles-aussi des propriétés dignes d'intérêt : souplesse, résistance mécanique et chimique, biocompatibilité... Déjà utilisées dans diverses applications industrielles comme la literie et le bâtiment, elles peuvent répondre aux attentes du secteur médical.

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Un outil de typage sanguin en mousse réalisé au Leti permet, par simple pression, de déplacer le sang dans trois branches composant le dispositif, et de déterminer ainsi le groupe sanguin du patient.

Composées d’une fine couche de polyuréthane encapsulée dans un réseau de cellules ouvertes, ces mousses peuvent être déformées. Ce qui permet de réaliser des filtres à densité de porosité variable. Les cavités de la mousse peuvent être remplies puis vidées d’un liquide par simple pression au moment désiré. Ces cavités peuvent ainsi remplir une fonction de réservoir exploitable pour délivrer des principes actifs par exemple, ou, à l'inverse, pour absorber un liquide physiologique en excès (comme dans les pansements). Un outil de typage sanguin en mousse réalisé au Leti permet, par simple pression, de déplacer le sang dans trois branches composant le dispositif, et de déterminer ainsi le groupe sanguin du patient.

Le papier et les mousses de polyuréthane sont deux matériaux complémentaires, facilement combinables pour réaliser des dispositifs complexes à faible coût. Les industriels des mousses et des papiers utilisent des outils de mise en forme similaires ("Roll to roll"), permettant la fabrication de dispositifs multicouches alliant les avantages des deux matériaux.

Standardiser les composants et leur assemblage

Au-delà de l’optimisation du principe des dispositifs microfluidiques, leur démocratisation passe par l’innovation de leur système de fabrication.

Le CEA y travaille...

Moins de volumes d'échantillons et davantage de sensibilité : la microfluidique est particulièrement adaptée au diagnostic clinique et environnemental. À terme, des laboratoires sur puces analyseront en parallèle des centaines d’échantillons en moins de dix minutes.

Au CEA, les chercheurs ont mis au point des techniques microfluidiques d’immunoconcentration sur bandelettes pour détecter des pathogènes in situ, comme le virus Ebola. Dans un autre projet d’envergure, ils travaillent sur des organes imprimés en 3D pour rechercher des biomarqueurs et étudier de nouveaux médicaments. Autre illustration de l’intérêt de la microfluidique pour le diagnostic : le projet Child’s Play mené en partenariat avec l’institut Pasteur, qui a pour but de développer un dispositif portable, facile d’utilisation et abordable, pour détecter en moins de deux heures des bactéries dans le sang. Le projet s’est focalisé sur les 5 espèces les plus répandues, première cause de mortalité infantile en Afrique Sub-saharienne : Streptococcus pneumonia, Salmonellae, Staphylococcus aureus, Escherichia coli et Haemophilus influenza type b.

Dans cette optique, le CEA-Leti a initié un projet européen, MF Manufacturing. Labellisé ENIAC par la Commission Européenne (Europe Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer), il est piloté par le fabricant Micronit et regroupe 21 partenaires, qui couvrent l’ensemble de la chaîne de valeur, du fabricant de composants au client final, en passant par la conception de logiciels.

Ce projet a deux objectifs. Le premier est de mettre en place des standards concernant les composants et les interconnexions microfluidiques (dimensionnement des pièces, position des entrées-sorties fluidiques et électriques, compatibilité…).

En effet, pour amener cette technologie au même niveau de maturité et d’industrialisation que celui de la microélectronique, il est essentiel de définir des règles de conception homogénéisées en matière de moyens d’assemblage des composants microfluidiques. Les industriels pourront alors accéder plus aisément, en termes de prix et de délais, à des composants à forte valeur ajoutée (multi-matériaux/multi-composants). Afin de pérenniser ces règles de conception, une démarche de standardisation ISO est actuellement en cours.

Le second objectif du projet est de structurer une ligne pilote, distribuée au niveau européen, pour la fabrication de dispositifs microfluidiques complexes. Cette ligne impliquera les concepteurs, les fabricants de composants et les intégrateurs.

La versatilité de la ligne pilote et la valeur ajoutée des règles de conception communes sont mises en évidence au travers de cinq démonstrateurs développés et fabriqués au sein du projet, touchant un large spectre d’applications, de l’analyse de l’air à la synthèse de médicaments.


www.leti.fr

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