Des scientifiques impriment en 3D des dispositifs microfluidiques auto-chauffants

La microfluidique, machines miniaturisées qui manipulent les fluides et facilitent les réactions chimiques, peuvent être utilisées pour détecter des maladies dans de minuscules échantillons de sang ou de fluides. Les kits de test à domicile pour le Covid-19, par exemple, intègrent un type simple de microfluidique.

Mais de nombreuses applications microfluidiques nécessitent des réactions chimiques qui doivent être réalisées à des températures spécifiques. Ces dispositifs microfluidiques plus complexes, généralement fabriqués dans une salle blanche, sont équipés d’éléments chauffants en or ou en platine à l’aide d’un processus de fabrication compliqué et coûteux, difficile à mettre à l’échelle.

Au lieu de cela, l’équipe du MIT a utilisé l’impression 3D multimatériaux pour créer des dispositifs microfluidiques auto-chauffants avec des éléments chauffants intégrés, via un processus de fabrication unique et peu coûteux. Ils ont généré des dispositifs capables de chauffer le fluide à une température spécifique lorsqu’il circule dans des canaux microscopiques à l’intérieur de la petite machine.

Leur technique est personnalisable, de sorte qu’un ingénieur pourrait créer un microfluidique qui chauffe le fluide à une certaine température ou à un profil de chauffage donné dans une zone spécifique de l’appareil. Le processus de fabrication à faible coût nécessite environ 2 dollars de matériaux pour générer un microfluidique prêt à l’emploi.

Le processus pourrait être particulièrement utile pour créer des microfluidiques auto-échauffantes pour les régions reculées des pays en développement où les cliniciens n’ont peut-être pas accès à l’équipement de laboratoire coûteux requis pour de nombreuses procédures de diagnostic.

“Les salles blanches en particulier, où l’on fabrique habituellement ces appareils, sont incroyablement coûteuses à construire et à exploiter. Mais nous pouvons fabriquer des dispositifs microfluidiques auto-chauffants très performants grâce à la fabrication additive, et ils peuvent être fabriqués beaucoup plus rapidement et à moindre coût qu’avec “C’est vraiment un moyen de démocratiser cette technologie”, déclare Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d’un article décrivant la technique de fabrication.

Il est rejoint dans l’article par l’auteur principal Jorge Cañada Pérez-Sala, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique. La recherche sera présentée à la conférence PowerMEMS ce mois-ci.

Un isolant devient conducteur

Ce nouveau processus de fabrication utilise une technique appelée impression 3D par extrusion multimatériaux, dans laquelle plusieurs matériaux peuvent être projetés à travers les nombreuses buses de l’imprimante pour construire un dispositif couche par couche. Le processus est monolithique, ce qui signifie que l’ensemble du dispositif peut être produit en une seule étape sur l’imprimante 3D, sans aucun post-assemblage nécessaire.

Pour créer une microfluidique auto-échauffante, les chercheurs ont utilisé deux matériaux : un polymère biodégradable connu sous le nom d’acide polylactique (PLA), couramment utilisé dans l’impression 3D, et une version modifiée du PLA.

Le PLA modifié contient des nanoparticules de cuivre mélangées au polymère, ce qui convertit ce matériau isolant en conducteur électrique, explique Velásquez-García. Lorsque le courant électrique est introduit dans une résistance composée de ce PLA dopé au cuivre, l’énergie est dissipée sous forme de chaleur.

“C’est étonnant quand on y pense parce que le matériau PLA est un diélectrique, mais lorsque vous y mettez ces impuretés de nanoparticules, cela change complètement les propriétés physiques. C’est quelque chose que nous ne comprenons pas encore complètement, mais cela arrive et c’est le cas.” reproductible”, dit-il.

À l’aide d’une imprimante 3D multimatériaux, les chercheurs fabriquent une résistance chauffante à partir de PLA dopé au cuivre, puis impriment le dispositif microfluidique, doté de canaux microscopiques à travers lesquels le fluide peut s’écouler, directement sur le dessus en une seule étape d’impression. Étant donné que les composants sont fabriqués à partir du même matériau de base, ils ont des températures d’impression similaires et sont compatibles.

La chaleur dissipée par la résistance réchauffera le fluide circulant dans les canaux du microfluidique.

En plus de la résistance et du microfluidique, ils utilisent l’imprimante pour ajouter une fine couche continue de PLA prise en sandwich entre eux. Il est particulièrement difficile de fabriquer cette couche car elle doit être suffisamment fine pour que la chaleur puisse être transférée de la résistance au microfluidique, mais pas si fine que du liquide puisse s’infiltrer dans la résistance.

La machine résultante a environ la taille d’un quart de dollar américain et peut être produite en quelques minutes. Des canaux d’environ 500 micromètres de large et 400 micromètres de haut traversent le microfluidique pour transporter le fluide et faciliter les réactions chimiques.

Il est important de noter que le matériau PLA est translucide, de sorte que le liquide présent dans l’appareil reste visible. De nombreux processus reposent sur la visualisation ou l’utilisation de la lumière pour déduire ce qui se passe lors de réactions chimiques, explique Velásquez-García.

Réacteurs chimiques personnalisables

Les chercheurs ont utilisé ce processus de fabrication en une seule étape pour générer un prototype capable de chauffer le fluide de 4 degrés Celsius lorsqu’il circulait entre l’entrée et la sortie. Cette technique personnalisable pourrait leur permettre de fabriquer des dispositifs qui chaufferaient les fluides selon certains modèles ou selon des gradients spécifiques.

“Vous pouvez utiliser ces deux matériaux pour créer des réacteurs chimiques qui font exactement ce que vous voulez. Nous pouvons établir un profil de chauffage particulier tout en conservant toutes les capacités du microfluidique”, explique-t-il.

Cependant, une limite vient du fait que le PLA ne peut être chauffé qu’à environ 50 degrés Celsius avant de commencer à se dégrader. De nombreuses réactions chimiques, telles que celles utilisées pour les tests de réaction en chaîne par polymérase (PCR), nécessitent des températures de 90 degrés ou plus. Et pour contrôler avec précision la température de l’appareil, les chercheurs devraient intégrer un troisième matériau permettant la détection de la température.

En plus de s’attaquer à ces limitations dans ses travaux futurs, Velásquez-García souhaite imprimer des aimants directement dans le dispositif microfluidique. Ces aimants pourraient permettre des réactions chimiques nécessitant le tri ou l’alignement des particules.

Parallèlement, lui et ses collègues explorent l’utilisation d’autres matériaux pouvant atteindre des températures plus élevées. Ils étudient également le PLA pour mieux comprendre pourquoi il devient conducteur lorsque certaines impuretés sont ajoutées au polymère.

“Si nous parvenons à comprendre le mécanisme lié à la conductivité électrique du PLA, cela améliorerait considérablement les capacités de ces dispositifs, mais cela sera beaucoup plus difficile à résoudre que certains autres problèmes d’ingénierie”, ajoute-t-il.

“Dans la culture japonaise, on dit souvent que la beauté réside dans la simplicité. Ce sentiment est repris par les travaux de Cañada et Velasquez-Garcia. Leurs systèmes microfluidiques monolithiques imprimés en 3D incarnent la simplicité et la beauté, offrant un large éventail de dérivations et d’applications potentielles. que nous prévoyons dans le futur”, explique Norihisa Miki, professeur de génie mécanique à l’université Keio de Tokyo, qui n’a pas participé à ces travaux.

« Être capable d’imprimer directement des puces microfluidiques avec des canaux fluidiques et des caractéristiques électriques en même temps ouvre des applications très intéressantes lors du traitement d’échantillons biologiques, comme pour amplifier des biomarqueurs ou pour actionner et mélanger des liquides. De plus, en raison du fait que le PLA se dégrade au fil du temps. avec le temps, on peut même penser à des applications implantables où les puces se dissolvent et se résorbent avec le temps”, ajoute Niclas Roxhed, professeur agrégé à l’Institut royal de technologie KTH de Suède, qui n’a pas participé à cette étude.

Cette recherche a été financée, en partie, par Empiriko Corporation et une bourse de la Fondation La Caixa.