Conférence MicroTas 2014 : la microfluidique un domaine en essor

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Du 26 au 30 octobre derniers, la 18ième conférence internationale des systèmes miniaturisés pour la chimie et les sciences de la vie (MicroTAS 2014) s’est tenue au Henry B. Gonzalez Convention Center de San Antonio, au Texas. Cette conférence est sûrement la conférence internationale la plus en vue dans le domaine de la microfluidique, un domaine en plein essor.

Le monde de la microfluidique est un monde jeune. Ce domaine est vu comme "la science et la technologie des systèmes qui manipulent de petits volumes de fluides (10^-9 à 10^-18 litres), en utilisant des canaux de la dimension de quelques dizaines de micromètres" [1]. Cette définition proposée par le Dr. George Whitesides met en avant la dualité de cette discipline, à la fois science et technologie. Les premiers systèmes électromécaniques de microfluidique dont la taille est de l’ordre de la centaine de microns sont parus dans les années 1980, avec notamment les travaux du Dr. Richard S. Muller, Faculté d’ingénierie électrique, Université de Berkeley. Quelques années plus tard, en 2001, la microfluidique figure au classement des "dix techniques émergentes qui vont changer le monde" selon le très connu journal MIT Technology Review [2]. Aujourd’hui, les applications sont nombreuses, en médecine, biologie, cosmétique, chimie, génie des procédés…

La microfluidique rassemble dans le monde 10.000 chercheurs et ingénieurs, un marché estimé à 6 milliards de dollars, en croissance de 15% par an, avec 600 utilisateurs industriels et 200 start-ups [3]. Bien que ce domaine scientifique ait démarré aux Etats-Unis, la France s’est beaucoup impliquée dans le domaine, et l’Institut Pierre-Gilles-de-Gennes actuellement en cours de construction à Paris, en face de l’ESPCI, rassemblera les différents laboratoires français travaillant sur les thématiques liées à ce domaine.

MicroTAS 2014 a été l’occasion de rassembler plus de mille chercheurs majoritairement américains (45%) mais également européens (32%) et asiatiques (23%). La présentation qui a ouvert la conférence a permis de mettre en avant les progrès récemment réalisés dans différentes technologies utilisées aujourd’hui pour travailler en microfluidique.


Conférence MicroTAS 2014
Crédits : MS&T


Cette conférence fut l’occasion de présenter les différents domaines qui font avancer la microfluidique, les travaux de plus en plus pointus sur le développement de cette nouvelle branche de l’étude des fluides, les questions porteuses d’inventivité et de réflexions. Voici quelques sujets marquant de ce rassemblement.

Focus sur quelques domaines mis en avant au cours de la conférence

Le développement des technologies

La conférence MicroTAS 2015 s’est ouverte sur ce concept. Le Dr. James P. Landers, de l’Université de Virginie, a orienté cette première intervention autour de la thématique des diagnostiques moléculaires et cliniques avec le titre "Putting a new spin on microfluidic systems for clinical and molecular diagnostics". Le but de la communauté microfluidique est de créer des systèmes pouvant être accessible à tous, abordables en prix et compréhensibles pour tous ceux qui devront les utiliser, afin de justifier le réel pouvoir de ce domaine des sciences. Les travaux du Dr. Landers se concentrent principalement sur les diagnostiques cliniques, les particules magnétiques et l’extraction de l’ADN. L’utilisation de microsystèmes permet tout d’abord un gain de temps considérable, mais offre aussi une possibilité de réduire les coûts, de faciliter la manipulation et la fabrication. Pour résumer son idée, le Dr. Landers utilise le slogan "Keep it simple stupid" (reste simple, idiot). Ainsi, il montre qu’un microdispositif multicouche peut être fabriqué en utilisant uniquement une imprimante laser, une découpe laser et une plastifieuse, sans avoir besoin de passer en salle blanche. Travailler en microfluidique demande une recherche de simplicité dans le choix des matériaux utilisés, en passant du verre aux polymères, au PDMS, thermoplastique, papier, mais aussi en simplifiant les processus de fabrication, le contrôle des flux et l’instrumentation. Ce sont là les quatre points qu’il propose d’identifier pour les prochains développements dans ce domaine. Il présente aussi un processus de détection basé sur le phénomène de "pinwheel effect" [4] (effet moulinet), où un agent chaotropique réagit par agrégation dans un champ magnétique tournant à la fréquence appropriée. Il offre un moyen simple de détection visuelle. Cette méthode présente l’avantage de ne nécessiter que d’un champ magnétique tournant, d’une petite quantité de polymère comme réacteur analytique et d’une caméra pour la détection optique.

Dans ce domaine précis, les processus de fabrication en microfluidique peuvent être donc réduits à quelques étapes rapides et peu coûteuses. De même, il est possible d’utiliser des systèmes de détection simples. La microfluidique gagnera une légitimité à être utilisée en respectant ces recherches de simplicité. Une prochaine étape doit encore être franchie dans ce domaine : il serait bon d’être capable de changer rapidement les paramètres modifiables d’une puce microfluidique, ce qui reste encore difficile aujourd’hui.

D’autre part, il est à noter que 18% des posters présentés lors de cette conférence concernaient les capteurs et actionneurs, la technologie de détection, et 11% la micro et nano ingénierie.

Le développement des applications biologiques

Les applications biologiques ont été mises à l’honneur tout au long de cette conférence. On peut notamment citer les sessions portant sur les organes en puce, le traitement des cellules, en cellule unique ou en multi-cellules, les diagnostiques de cancer, l’analyse d’ARN, la culture en puce, les bioréacteurs bactériologiques, les vésicules, le traitement du sang, la caractérisation des neurones. Leur diversité et leur grand nombre montre l’importance du lien entre microfluidique et applications biologiques. On peut citer par exemple les avancées dans la détection des exosomes, nouveaux candidats pour déceler des cancers, ce qui présente un challenge du fait de leur hétérogénéité et leur petite taille. Les posters ont aussi montré cet attrait pour les applications biologiques, avec 37% des travaux présentés portant sur les cellules, organismes et organes sur puces.

Un exemple d’application biologique de la microfluidique se retrouve dans la présentation du Dr. Adela Ben-Yakar. Ses travaux ont été réalisés à l’Université du Texas à Austin, et portent sur les développements des plateformes microfluidiques et des modalités d’imagerie dans le dépistage sur animaux vivants.

L’objectif de l’équipe de recherche du Dr. Ben-Yakar est de développer une microfluidique automatisée et des plateformes optiques à haute résolution d’imagerie 3D pour avoir accès à un haut débit d’analyse en vue d’une application en neurobiologie. Leurs travaux s’appuient sur les C. Elegans, des vers mesurant 1 mm de long et possédant un système neuronal complet. Ils présentent l’avantage d’être de petite taille, transparents, capables de survivre dans un milieu liquide et faciles à cultiver. Pour l’étude des C. Elegans, il faut une immobilisation du vers suivie d’une analyse optique en série. L’étude réalisée par l’équipe du Dr. Ben-Yakar se découpe en quatre parties : la nano-axotomie laser, l’immobilisation microfluidique, l’axotomie automatisée, l’imagerie automatisée. Le passage à des systèmes microfluidiques multicanaux a permis de diminuer le temps nécessaire à de telles études et d’accroître leur rendement. Ainsi, les systèmes conventionnels permettent de lire 20.077 protéines, soit 30 vers, en 80.000 heures, c’est-à-dire 50 ans. Ce système microfluidique nécessite moins de 20 secondes par vers pour la phase d’axotomie laser avec une précision de l’ordre la femto seconde, permet l’immobilisation de environs 4.000 vers en 5 minutes, et peut traiter ces 4.000 vers en 10 minutes pour la phase d’imagerie.

Pour le moment, le travail complet sur un vers nécessite encore 5,5 ans, il reste donc encore des progrès à faire pour faciliter le travail in vivo sur des animaux. Mais ces développements devraient permettre de mieux comprendre les phénomènes de dégénération neuronale, par découverte de nouveaux gènes et médicaments pour des maladies telles qu’Alzheimer, Parkinson ou Huntington.

Organ on chip

Différents laboratoires américains tels que le Laboratoire National de Los Alamos ou l’Université de Harvard orientent leurs travaux autour de cette thématique.

Pourquoi fabriquer des organes humains sur puce ? Tout d’abord pour permettre un traitement individuel, et éviter le piège du même diagnostique menant à une même prescription (médecine personnalisée). Plusieurs enjeux apparaissent alors, au niveau des propriétés physiques, chimiques et biologiques. Comme les chercheurs du Laboratoire National de Los Alamos l’ont présenté, recréer sur une puce un poumon demande de fabriquer une interface entre l’air et le liquide circulant, d’avoir une surface suffisante d’échange, de connecter un ensemble d’alvéoles, de comprendre et de reproduire les déformations du système [5]. Fabriquer un foie nécessite une réflexion sur les matériaux à utiliser - hydrogels, biopapiers, etc. - mais aussi sur les micro-motifs qui doivent permettre à l’ensemble des cellules de rester vivantes. Construire un muscle inclut l’ajout de tendons pour éviter le frottement avec la structure et un contrôle de la contractilité par simulation électrique. D’un autre côté, l’Université de Harvard s’est intéressée au système circulatoire humain. Celui-ci doit permettre de faire circuler l’oxygène dans l’ensemble du corps en 25 secondes, il se révèle donc très important de savoir contrôler précisément les flux.

Différents challenges d’ingénierie doivent être résolus, tels que la co-culture de différents types de cellules, la mise en parallèle de deux types de flux, la confrontation aux déformations cycliques afin de créer, sur une seule et même plateforme de travail, un système regroupant plusieurs organes. Sur le long terme, les chercheurs espèrent mettre en place un système regroupant plusieurs organes, pouvant être indépendant ; un "mini-humain" sur lequel effectuer des tests.

Microfluidique de gouttes

La microfluidique digitale a été mise en avant par la présentation du Dr. R. T. Kennedy du département de Chimie de l’Université du Michigan [6]. Ce domaine connaît une forte expansion. Les systèmes de création de gouttes les plus connus sont les systèmes en jonction en T et les systèmes dits de focalisation de flux ("flow focusing"). Le Dr. Kennedy a présenté des puces optimisées de ces systèmes (mise en parallèle, imbrication, etc.). Les gouttes créées dans ces puces optimisées permettent alors de manipuler des objets en les encapsulant, ce qui offre la possibilité de les manipuler individuellement. On peut notamment citer leur utilisation pour des analyses sanguines, pour des processus de comptage, ou pour effectuer une PCR [CT1] (polymerase chain reaction ou amplification en chaîne par polymérase) [2] . Le système présenté à cette conférence utilise la microfluidique en goutte pour de l’analyse chimique et plus précisément de l’analyse chimique par spectrométrie de masse et électrophorèse. On utilise un flux discontinu, chaque échantillon de quelques nanolitres est séparé des suivants par un fluide immiscible. Il est alors possible de le considérer comme un tube à essai miniature dans lequel il est possible de réaliser des réactions à haut débit. On peut alors adapter ce système au criblage à haut débit, permettant de travailler sur des réactions de catalyse ou d’inhibition d’enzymes sans nécessiter l’ajout de marqueurs. Travailler en microfluidique digitale permet de réduire les manipulations, de diminuer le nombre d’étapes, de travailler à petits volumes et donc à coûts réduits, tout en gardant un design simple.

Nanoparticules

Le gagnant du prix des Pionniers de la miniaturisation "Lab on a Chip/Corning, Inc." de l’édition MicroTAS 2014 est le professeur Sangeeta N. Bhatia du Massachusetts Institute of Technology pour son travail sur l’utilisation de nanoparticules en tant que capteurs simples, peu coûteux, et sûrs. Les nanoparticules sont définies comme des objets dont les trois dimensions dans l’espace sont à l’échelle du nanomètre, c’est-à-dire ayant "un diamètre suffisamment petit pour que les propriétés physiques et chimiques diffèrent de façon mesurable de celles des matériaux en vrac" [7]. Elles sont utilisées notamment en biologie pour la distribution de médicaments ou pour les détections dans le sang de particules à très faible concentration.

Par exemple, les propriétés des nanoparticules d’or sont très étudiées ; celles-ci dépendent de leur taille, mais aussi de leur environnement et des dimensions physiques du phénomène. La présentation du Dr. Rahbar de l’Université Simon Fraser, Canada, a été très appréciée. Ces travaux [8] portent sur les mécanismes de croissance des nanoparticules, comparant les processus de cristallisation avec ajout d’une fine membrane d’un précurseur en phase gazeuse ou en utilisant des nano-fils permettant un alignement des particules lors de leur formation, avec un réarrangement des atomes.

Microfluidique sur fils et Microfluidique acoustique

Lors de cette conférence MicroTAS 2014, les domaines de la microfluidique sur fils et acoustique, deux domaines relativement récents, ont été abordés. Toutefois, il est intéressant de noter que peu de chercheurs américains étaient présents dans ces sessions.

La microfluidique sur fil est basée sur l’utilisation de fils élastiques comprenant des zones hydrophobiques isolées par des barrières hydrophobiques pour former des réservoirs distincts de réactifs. Il est alors possible de créer des matrices de réservoirs en utilisant des fils différents, et de leur associer une fonction de transport, de transfert unidirectionnel, de mélange, de fusion, de subdivision ou de copie [9]. La microfluidique en fil pourrait trouver des applications en médecine, notamment pour les tests de dosage.

La microfluidique acoustique a été mise à l’honneur par la présentation d’Henri Bruus, de Technical University of Denmark intitulée "Acoustofluidics : theory simulation, and experiment" [10]. Il a présenté cette branche de la microfluidique, ses principales caractéristiques, en appuyant sur la simplicité de la mise en place, seuls une puce et un capteur piézoélectrique sont nécessaires. Une vidéo "diving with microparticules in acoustic field" explique le phénomène [11]. Les hypothèses de départ sont les suivantes : le liquide est considéré comme un fluide parfait, les murs environnants sont considérés comme des parois rigides vibrantes, les champs de pression, de vitesse et de densité suivent la théorie des perturbations. Ce cadre théorique peut être utilisé pour dériver des expressions analytiques régissant des quantités physiques en passant par des arguments d’échelle. Il est aussi possible d’utiliser ces résultats pour des simulations numériques, à comparer avec les expériences effectuées. L’acoustofluidique est utilisée pour le traitement des particules et des cellules dans des canaux microfluidiques. Cette technique demande de développer les études théoriques, afin d’étendre les applications à des domaines plus sophistiqués.

Présence française

Les grandes universités françaises, des écoles d’ingénieurs, des organismes de recherche (CNRS, CEA, Inserm) ainsi que les instituts Curie et Pasteur étaient largement représentés.

Mais cette conférence était également l’occasion pour les entreprises françaises travaillant dans le domaine de la microfluidique d’exposer leurs produits. On peut notamment citer les compagnies Elveflow Microfluidic Innovation Center, Fluigent et Klearia. L’exemple de Fluigent est preuve de la réussite des start-up françaises dans le domaine de la microfluidique. En 2003, l’équipe du Dr. Jean-Louis Viovy (CNRS/Institut Curie) met au point un système de contrôle de flux basé sur la pression. Cette technologie permet de contrôler les flux avec une plus grande stabilité et des temps de réponse beaucoup plus courts dans les systèmes microfluidiques. De cette création est née, en 2006, la start-up Fluigent qui s’est développée ensuite très rapidement en diversifiant ses produits de contrôle des écoulements microfluidiques. Elle est aujourd’hui en train d’en devenir le standard avec plus de 170 publications scientifiques et continue son développement en s’installant aux Etats-Unis en la personne de Robert Pelletier, directeur marketing et ventes, à Boston.

En conclusion de cette conférence de quatre jours, les avancées de la microfluidique et ses nombreuses applications en font un domaine qui possède un très grand potentiel de développement. La force de la microfluidique vient de sa simplicité, sa réduction des volumes et des coûts, sa multiplicité à la fois en support et en application. Mais, malgré les nombreux progrès de ce domaine, il reste encore des obstacles à résoudre pour une utilisation de masse. Les prochaines recherches vont se concentrer sur le développement de l’adaptabilité des systèmes utilisés, la recherche de simplicité, mais aussi le passage du laboratoire à l’industrie afin de justifier l’expansion de l’utilisation de la microfluidique.

Sources :


- [1] G.M. Whitesides, "The origins and the future of microfluidics", Nature, vol. 442, no 7101, juil. 2006, p. 368-373 (DOI 10.1038/nature05058)
- [2] "Ten emerging technologies that will change the world", M.I.T.’s Technology Review, janv. 2001
- [3] Les mille promesses de la microfluidique, Yann Verdo, Les Echos, 22/09
- [4] D.C. Leslie, J. Li, B.C. Strachan, M.R. Begley, D. Finkler, L.A. Legendre, N.S. Barker, K. Kelly, N., Wilson, D. Haverstick, M. Utz, and J.P. Landers. A New Detection Modality for Label-Free Quantification of DNA in Biological Samples. 2012. Via Superparagagnetic Bead Aggregation. JACS. 134,12, 5689-5696.
- [5] Fabrication of human respiratory construct for in vitro drug development Jen-Huang Huang, Pulak Nath, Jennifer F. Harris, Ayesha. Arefin, and Rashi Iyer, Los Alamos National Laboratory, USA
- [6] Using droplet microfluidics with mass spectrometry and electrophoresis for high-throughput chemical analysis and sensing R.T. Kennedy*, Shuwen Sun, and Erik Guetschow, Department of Chemistry, University of Michigan, Ann Arbor, MI USA
- [7] ISO, 2004. Occupational ultrafine aerosol exposure characterization and assessment. Draft technical report number 6. ISO/TC146/SC2 ?WG1 Particle size selective sampling and analysis (workplace air quality)
- [8] Arrayable microfluidic valves based on rare earth permanently magnetic polymer for use in microfluidic flow switching, M. Rahbar*, L. Shannon, and B.L. Gray, Simon Fraser University, BC, Canada
- [9] String microfluidics, P. DeCorwin-Martin* and D. Juncker, McGill University, CANADA
- [10] Acoustofluidics : theory, simulation, and experiment, Henrik Bruus, Department of Physics, Technical University of Denmark
- [11] https://www.youtube.com/watch?v=F1VgkESM4o4

Rédacteurs :


- Lucile Alexandre, Stagiaire, stagiaire-phys@ambascience-usa.org ;
- Suivre le secteur Physique, Chimie, Nanotechnologies sur twitter @Fr_US_Nanotechs. S’abonner à la newsletter Nanotechs News : http://www.france-science.org/-FR-US-NanoTechs-Newsletter-.html
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