Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke ont développé une approche entièrement nouvelle pour construire des dispositifs de diagnostic au point de service qui n’utilisent que la gravité pour transporter, mélanger et manipuler les gouttelettes de fluide impliquées. La démonstration ne nécessite que des matériaux disponibles dans le commerce et très peu d’énergie pour lire les résultats, ce qui en fait une option potentielle intéressante pour les applications dans les environnements à faibles ressources.

« L’élégance de cette approche réside dans sa simplicité – vous pouvez utiliser tous les outils dont vous disposez pour la faire fonctionner », a déclaré Hamid Wahbi, ancien chercheur postdoctoral de Duke et maintenant ingénieur d’analyse principal chez GE Hitachi. « Vous pourriez théoriquement même utiliser une scie à main et couper les canaux nécessaires aux tests dans un morceau de bois. »

L’étude, menée dans le laboratoire d’Ashutosh Chilkoti, professeur émérite Alan L. Kaganov de génie biomédical à Duke, apparaît en ligne le 11 juillet dans la revue Nature. appareil.

Les appareils de point de service simples et faciles à utiliser ne manquent pas. De nombreuses démonstrations et appareils commerciaux cherchent à effectuer des diagnostics ou à mesurer des signes vitaux importants en utilisant seulement quelques gouttes de liquide avec le moins de force et d’expertise possible. Leur objectif est d’améliorer les soins de santé pour les milliards de personnes qui vivent dans des milieux à faibles ressources, loin des hôpitaux traditionnels et des médecins qualifiés.

Tous ces examens ont les mêmes exigences de base; Ils doivent agiter, mélanger et doser les microgouttelettes contenant les échantillons biologiques et les principes actifs permettant de mesurer des biomarqueurs spécifiques. Des exemples plus coûteux utilisent de petites pompes électriques pour diriger ces réactions. D’autres utilisent la physique des fluides à l’intérieur de minuscules canaux (microfluidique) qui créent un type d’effet d’aspiration.

C’est le premier spectacle à n’utiliser que la gravité. Chaque approche offre des capacités bénéfiques uniques ainsi que ses inconvénients.

« La plupart des dispositifs microfluidiques ont besoin de plus que de simples forces capillaires pour fonctionner », a déclaré Chilkuti. « Cette approche est beaucoup plus simple et permet également de concevoir et d’exploiter des voies de fluides très complexes, ce qui n’est ni facile ni bon marché avec la microfluidique. »

La nouvelle approche basée sur la gravité repose sur un ensemble de neuf revêtements de surface disponibles dans le commerce qui peuvent modifier la mouillabilité et la glissance en tout point de l’appareil. Autrement dit, ils peuvent ajuster la quantité de gouttelettes qui s’aplatissent en crêpes ou restent sphériques tout en leur permettant de glisser plus facilement ou plus difficilement sur une pente.

Lorsqu’ils sont utilisés ensemble dans des combinaisons intelligentes, ces revêtements de surface peuvent créer tous les éléments microfluidiques nécessaires aux tests au point de service. Par exemple, si un site particulier est très glissant et que la goutte est placée à une intersection où un côté tire le liquide à plat et l’autre le pousse dans une sphère, il agira comme une pompe et accélérera la goutte vers le premier.

« Nous avons proposé de nombreux éléments différents pour contrôler le mouvement, l’interaction, la synchronisation et la séquence des multiples gouttelettes dans l’appareil », a déclaré Vahabi. « Tous ces phénomènes sont bien connus dans le domaine, mais personne n’avait pensé à les utiliser pour contrôler le mouvement des gouttelettes de manière systématique auparavant. »

En combinant ces éléments, les chercheurs ont créé un test prototype pour mesurer les niveaux de lactate déshydrogénase (LDH) dans un échantillon de sérum sanguin humain. Ils ont foré des canaux à l’intérieur du banc d’essai pour créer des chemins spécifiques pour les gouttelettes, chacun recouvert d’un matériau qui empêche les gouttelettes de se coller pendant leur voyage. Ils ont également équipé des sites spécifiques de réactifs secs nécessaires aux tests, qui sont absorbés par des gouttelettes d’une simple solution tampon lorsqu’elles les traversent.

L’ensemble du test en forme de labyrinthe est ensuite recouvert d’un couvercle avec deux trous dans lesquels l’échantillon et la solution tampon sont versés. Une fois chargé, le test est placé à l’intérieur d’un dispositif en forme de boîte avec une poignée qui tourne le test de 90 degrés pour permettre à la gravité de faire son travail. Cet appareil est également équipé d’une simple LED et d’un photodétecteur qui peuvent détecter rapidement et facilement la quantité de bleu, de rouge ou de vert dans les résultats des tests. Cela signifie que les chercheurs peuvent marquer trois biomarqueurs différents dans différentes couleurs pour différents tests à mesurer.

Dans le cas de ce test prototype LDH, le biomarqueur est marqué d’une molécule bleue. Un microcontrôleur simple mesure la profondeur du bleu des résultats du test et la rapidité avec laquelle la couleur change – ce qui indique la quantité et la concentration de LDH dans l’échantillon – pour générer des résultats.

« Nous pourrions éventuellement utiliser un smartphone à l’avenir pour mesurer les résultats, mais ce n’est pas quelque chose que nous avons exploré dans cet article spécifique », a déclaré Jason Liu, Ph.D. Filtre au laboratoire Chilkoti.

La démonstration fournit une nouvelle approche à prendre en compte lors de la conception d’appareils de diagnostic peu coûteux et à faible consommation d’énergie. Bien que le groupe envisage de continuer à développer son idée, il espère également que d’autres en prendront note et travailleront sur des tests similaires.

« Alors qu’un système microfluidique bien conçu peut être entièrement automatisé et facile à utiliser par des moyens passifs, la synchronisation des étapes discrètes est généralement programmée dans la conception de l’appareil lui-même, ce qui rend les modifications du protocole plus difficiles », a ajouté David Kinnamon. Un doctorat. Filtrer dans le groupe Chilkoti. « Dans ce travail, l’utilisateur conserve plus de contrôle sur la synchronisation des étapes tout en ne sacrifiant que modestement la facilité d’utilisation. Encore une fois, c’est un avantage pour les protocoles plus complexes. »