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Des pinces acoustiques miniatures pour manipuler le vivant

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Par publié le à 10h16

Des pinces acoustiques miniatures pour manipuler le vivant

Déplacer sélectivement, précisément et sans contact des cellules ou microorganismes baignant dans un environnement stérile. Tel est l’objectif auquel pourront à terme contribuer les pinces acoustiques miniatures développées par des chercheurs de l’Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie de Lille, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut des NanoSciences de Paris.

Des pinces acoustiques miniatures permettant de manipuler à souhait et sans les détériorer des cellules vivantes ou des micro-organismes en milieu aqueux et stérile. C’est ce qu'ont développé des chercheurs de l’Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie de Lille (IEMN), un laboratoire conjoint entre l’Université de Lille, le CNRS, l’Université de Valenciennes, l’Isen et Centrale Lille, avec leurs collègues de l’Institut des NanoSciences de Paris –laboratoire conjoint Sorbonne Université, CNRS.

A la base de ces recherches se trouve un principe connu depuis longtemps sous le nom d’acoustophorèse. Lorsqu’une onde acoustique – une vibration – se propage et rencontre un objet, elle exerce une force dessus, appelée pression de radiation. Cette force peut pousser l’objet ou, selon la forme de l’onde, créer un piège qui va venir le bloquer. C’est notamment le cas des ondes stationnaires qui, à l’image d’une corde vibrante, piègent les particules au niveau des nœuds – où la corde ne vibre pas. En revanche, ce type d’onde ne permet aucune sélectivité, c’est-à-dire qu’elle ne permet pas de déplacer une particule indépendamment de ses voisines. « Toute la question est de pouvoir déplacer un objet sélectivement », détaille Michaël Baudoin, responsable des recherches à l’IEMN. Pour dépasser ce blocage, les chercheurs ont eu l’idée d’utiliser des structures d’ondes particulières, appelées vortex acoustiques. A l’image d’un vortex hydrodynamique, la phase de l’onde acoustique crée un tourbillon qui piège la particule. « Si on ouvre la bonde d’une baignoire pleine, de la même manière qu’un petit bateau flottant à la surface de l’eau sera entrainé vers le cœur du tourbillon, une particule sera entrainée vers le cœur du vortex acoustique puis restera piégée en son centre », image le chercheur.

Une force 105 fois supérieure

Un avantage fondamental des pinces acoustiques par rapport à leur principal concurrent, les pinces optiques, est de permettre d’exercer des forces 105 fois supérieure à même puissance d’entrée. Cela permet de limiter considérablement l’échauffement en réduisant la puissance des ondes émises. Or, « arriver à manipuler directement des objets biologiques microscopiques sans les dénaturer par une augmentation de température excessive est un enjeu majeur, qui ne peut être atteint avec les pinces optiques», précise Michaël Baudoin.

Actuellement les chercheurs ont déjà prouvé que leur solution brevetée miniaturisée et bas coût permet le déplacement sélectif et contrôlé de particules de 75 microns. « Tout notre travail a été de simplifier un système existant très lourd et encombrant pour avoir une électronique très simple et un système à bas coût basé sur une simple métallisation de spirales sur un matériau piézoélectrique. Notre solution ne coûterait que quelques euros pour une production de masse », fait valoir Michaël Baudoin. La prochaine étape est de poursuivre la miniaturisation du système afin de piéger des objets biologiques de l’ordre de quelques micromètres tels que des cellules ou des microorganismes mobiles. « D’ici quelques mois, nous devrions être capables de manipuler des objets de quelques microns, donc de la taille d’une cellule, se réjouit Michaël Baudoin, avant de poursuivre : et d’ici un an, nous envisageons la manipulation de plusieurs particules simultanément. Viendront ensuite les questions du contrôle de l’orientation et du déplacement dans les 3 dimensions de l’espace. »

Manipuler les objets biologiques microscopiques

Outre la prouesse technique, les pinces acoustiques combleront des besoins pour nombre d’applications innovantes. L’ingénierie tissulaire se verra dotée d’un système permettant d’assembler les cellules souches entre elles. Ces pinces acoustiques pourraient aussi servir un autre domaine émergent, la méchanotransduction, c’est-à-dire la modification du comportement des cellules en fonction des actions mécaniques qui leur sont appliquées. Mais c’est peut-être d’abord les biologistes qui verront leurs microscopes agrémentés d’un outil supplémentaire leur permettant de manipuler aisément des objets biologiques microscopiques situés entre la lame et la lamelle. Les pinces acoustiques miniatures sont donc promises à un bel avenir. Et il n’a pas échappé aux chercheurs qui envisagent la formation d’une start-up sur la base de cette technologie novatrice.

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