Nous suivre Industrie Techno

abonné

Avis d'expert

Microfluidique : tout savoir sur ces labos qui tiennent dans une goutte

La rédaction
Microfluidique : tout savoir sur ces labos qui tiennent dans une goutte

Apparue il y a soixante ans, la maîtrise de l’écoulement des fluides dans des microcanaux a fait avancer la recherche, notamment dans la santé, la biotechnologie et l’agroalimentaire. Elle permet aujourd’hui d’effectuer des analyses complexes dans une simple goutte. Laurent Boitard, fondateur en 2015 de la start-up Millidrop qui commercialise des solutions automatisées d'analyse de micro-organismes en gouttes présente en détails ce secteur prometteur.

Développée depuis les années 1960, dans le sillage de la miniaturisation de l’électronique, la microfluidique a bénéficié des avancées dans la compréhension des phénomènes physiques à petites échelles. Elle permet aujourd’hui de concevoir des unités d’analyse sur des plaquettes de la taille d’une puce électronique, et ainsi de mieux étudier le comportement des cellules de certains organes et les solutions métabolisées. Avec le développement de la recherche sur les gènes, cette technologie ouvre de nouvelles perspectives. S’appuyant sur le contrôle de gouttelettes au sein d’un réseau, elle offre l’opportunité d’analyser un grand nombre d’essais dans un laps de temps plus court. Mais aussi de tracer, isoler et interagir plus efficacement sur les échantillons étudiés.

La microfluidique est un domaine des sciences et technologies portant sur les écoulements et leur mise en œuvre dans des réseaux de canaux à l’échelle du micron. Nous pouvons vulgairement comparer cette science à de la plomberie miniature. Son essor est considérable dans de nombreux domaines industriels comme les biotechnologies, l’analyse, la synthèse chimique et le diagnostic clinique. La microfluidique se situe à la croisée de la biologie, de la physique, de la chimie et de l’ingénierie. Elle tire profit des progrès de la microélectronique, ainsi que des phénomènes physiques qui ont lieu à ces échelles par miniaturisation.

1. Principes
Un laboratoire miniature

Le concept de miniaturisation est, depuis plus d’un demi-siècle, un paradigme dominant dans presque toutes les disciplines scientifiques et technologiques. L’exemple le plus marquant est celui de la révolution des semiconducteurs catalysés, avec l’invention, en 1958, du premier circuit intégré, une innovation motivée en large partie par la réduction de la taille et du coût des composants électroniques. De même, le développement des technologies microfluidiques depuis vingt-cinq ans s’est concentré sur le transfert et l’ajout des bénéfices de la miniaturisation dans la biologie et la chimie.

Nous devons la première application de la microfluidique à Siemens, au début des années 1950 : une tête d’imprimante à jet d’encre utilisant des tubes très fins pour transporter l’encre. Mais c’est l’essor de la microélectronique, qui permet d’intégrer des microstructures telles que des pompes, des vannes et des canaux, qui va contribuer à la naissance des laboratoires sur puce. En 1979, le premier instrument de chromatographie en phase gazeuse miniaturisé est développé par des chercheurs de Stanford. Il faudra attendre dix ans pour que soient commercialisées des applications de la microfluidique par Agilent Technologies ou encore Caliper Life Sciences, qui utilisent l’électrophorèse capillaire pour les analyses biochimiques.

La microfluidique fait un bond en avant à partir des années 2000, notamment grâce au soutien de la Defense advanced research project agency (Darpa), une agence du département américain de la défense spécialisée dans l’innovation de rupture, en quête de solutions miniaturisées portables pour la détection d’agents impliqués dans la guerre biologique. Des chercheurs d’Harvard mettent ainsi au point une méthode permettant de s’affranchir des techniques de lithographie traditionnelles sur silicium, jusqu’alors très coûteuses. C’est le début de la démocratisation de la microfluidique et de sa croissance exponentielle. Alors que les technologies microfluidiques étaient utilisées pour automatiser des essais biologiques relativement simples (« immunoassay », chimie du sang, gaz du sang), de nouvelles applications vont permettre par exemple le séquençage de nouvelle génération (NGS) ou des tests diagnostics au lit du patient (point-of-care). Aujourd’hui, la microfluidique est utilisée pour l’analyse génétique, l’électrophorèse capillaire, l’amplification d’ADN, la biologie cellulaire, la protéomique, le diagnostic, la recherche de médicaments, la synthèse de molécules ou de nanomatériaux…

La recherche en microfluidique a été accélérée par le fait que les processus physiques sont plus facilement contrôlables (dans le temps et dans l’espace) quand les dimensions sont réduites à l’échelle du micron. Cette miniaturisation permet en outre de manipuler de petits volumes de fluide, d’améliorer les performances analytiques, de réduire la taille des instruments, d’avoir une capacité haut débit d’analyse, de faciliter l’intégration de différentes fonctionnalités sur une même « puce » et d’exploiter le comportement de fluides atypiques pour contrôler des espèces chimiques ou biologiques.

Toutefois, définir les dispositifs microfluidiques uniquement par la réduction d’échelle est peu satisfaisant. Il est plus approprié de les décrire en termes de performance et de comportement. En effet, certaines caractéristiques critiques sont dues à la physique particulière, notamment au niveau du transfert de chaleur et de masse, qui s’exerce à ces échelles. Premièrement, les volumes associés aux environnements microfluidiques imposent que le transport de masse soit presque toujours dominé par la diffusion. Cela signifie que le mélange se produit de manière contrôlable et que les régimes d’écoulement laminaire sont entièrement développés.

Les écoulements dans un réseau microfluidique peuvent se modéliser en utilisant la notion de résistance hydraulique par analogie avec un réseau électrique de résistance. La pression est associée à la tension, le débit au courant électrique.

De plus, les grands rapports surface-volume typiques des environnements à micro-échelle garantissent une homogénéité thermique à travers le système et un transfert de chaleur rapide entre le dispositif et le fluide contenu. Cela entraîne plusieurs conséquences. D’abord, un écoulement fluidique prévisible et laminaire avec des gradients à grande vitesse et des effets interfaciaux dominants (permettant la manipulation contrôlée des courants de fluides, les effets inertiels sur les particules sans turbulences fluides et la génération d’émulsions monodisperses).


Les phénomènes de diffusion au sein des réseaux microfluidiques sont bien maîtrisés. Ils permettent de développer des applications associées telles que des micromélangeurs ou des générateurs de gradients de concentration.

Ensuite, des volumes de fluide compartimentés (gouttes), qui peuvent contenir des entités uniques et concentrer les produits de réaction. Enfin, des conditions de réaction uniformes pour contrôler les réactions en masse ou sur les surfaces. Dans cette définition large, les systèmes microfluidiques se divisent en deux sous-classes, qui fonctionnent de différentes manières et avec des caractéristiques et des avantages variables. On peut définir les systèmes microfluidiques comme étant monophasiques (fonctionnant avec un fluide uniquement aqueux ou non aqueux) ou multiphases (fonctionnant avec au moins deux phases fluidiques en contact, par exemple aqueuses-fluorées ou non).

2. Conception
La connaissance des matériaux

Le type de matériau utilisé est essentiel dans le développement d’applications microfluidiques. Toutefois, chaque système microfluidique doit être conçu pour une utilisation finale. Le développement de méthodes de prototypage rapide permettant de réaliser simplement des puces dans des élastomères tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS) a catalysé la croissance de la recherche en microfluidique au début des années 1990. Outre son faible coût, ce matériau possède de nombreux avantages pour le prototypage d’expériences en biologie. Il est transparent, ce qui permet l’observation du contenu des canaux au microscope. Il est également flexible, ce qui a permis à l’équipe de Stephen Quake, universitaire américain spécialisé en microfluidique, d’intégrer des vannes et des pompes dans les circuits microfluidiques. Enfin, il est perméable aux gaz, permettant ainsi d’effectuer des cultures cellulaires en contrôlant la quantité de gaz à travers le PDMS. Cette caractéristique est indispensable pour réaliser des organes sur puce.

Pour lire la totalité de cet article, ABONNEZ-VOUS

Déjà abonné ?

Mot de passe perdu

Pas encore abonné ?

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°1008

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2018 d'Industries & Technologies

Nous vous recommandons

Elle traque les polluants de l'air intérieur

Analyse

Elle traque les polluants de l'air intérieur

Chercheuse en biologie cellulaire, Stéphanette Englaro s’est lancée dans l’entrepreneuriat en cofondant In’Air[…]

Hydrogène, hydrogel résistant, plastique conducteur… les innovations qui (re)donnent le sourire

Hydrogène, hydrogel résistant, plastique conducteur… les innovations qui (re)donnent le sourire

OneWeb, mobilité hydrogène, hydrogel renforcé… les meilleures innovations de la semaine

OneWeb, mobilité hydrogène, hydrogel renforcé… les meilleures innovations de la semaine

Energy Observer, IA médicale, réacteur Iter… les meilleures innovations de la semaine

Energy Observer, IA médicale, réacteur Iter… les meilleures innovations de la semaine

Plus d'articles