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Laboratoire sur puce en papier
En tirant parti du mouvement naturel du liquide à travers le papier, des chercheurs de Harvard Groupe de recherche Whitesides ont peut-être trouvé un moyen de rendre la technologie microfluidique beaucoup moins chère. Le résultat pourrait être des tests de diagnostic jetables simples et suffisamment abondants pour être utilisés dans les pays en développement.
Code de couleurs: Ce prototype d'un nouveau test de diagnostic papier de l'Université Harvard analyse la teneur en glucose (puits gauche) et en protéines (puits droit) de l'urine ; le puits supérieur est un contrôle pour le dosage du glucose. La partie beige du papier test a été traitée avec un polymère hydrophobe qui canalise le liquide dans les puits. Dans ce test, le papier a été plongé dans une solution d'urine artificielle contenant du glucose et une protéine extraite du sang de vache.
Le domaine de la microfluidique traite de la manipulation précise d'infimes quantités de liquide. L'une de ses applications les plus prometteuses est le soi-disant laboratoire sur puce, qui peut fonctionner avec des échantillons de fluides beaucoup plus petits que ceux requis par les appareils plus gros, permettant potentiellement des outils de diagnostic plus portables. Mais les puces microfluidiques existantes sont généralement fabriquées à partir de matériaux relativement coûteux comme le silicium, le verre ou le plastique et ont de minuscules pompes et vannes qui peuvent être difficiles à fabriquer.
Aujourd'hui, George Whitesides de Harvard et son équipe ont construit un appareil microfluidique sur un carré de papier de la taille d'un petit ongle. C'est le premier exemple que j'ai entendu de la microfluidique papier, dit Albert Folch , un bio-ingénieur à l'Université de Washington qui travaille sur la microfabrication. C'est vraiment astucieux car il utilise du papier comme substrat, qui est universellement disponible.
Alors que les tests sur papier plus volumineux (comme ceux pour la grossesse) sont courants, le rétrécissement du papier et la minimisation de la quantité de réactifs chimiques requis réduisent les coûts de fabrication. La capacité de diriger l'échantillon vers des régions particulières du papier permet la réalisation simultanée de plusieurs tests, pour rechercher plusieurs symptômes d'une maladie, comme une insuffisance rénale ou une maladie infectieuse, explique Whitesides. Et la réduction de la taille des échantillons est un avantage particulier dans les pays en développement, où la collecte non invasive de petites quantités de fluides évite le besoin de seringues, qui peuvent être difficiles à nettoyer et à éliminer.
Une pincée de sang ou une goutte d'urine absorbée au bord de l'appareil Whitesides se déplace naturellement à travers le papier, de la même manière que le vin se répandra à travers une serviette en papier. Mais le papier est traité avec un polymère hydrophobe, qui dirige le liquide le long de canaux prescrits. Une fois que le liquide atteint les puits aux extrémités des canaux, il interagit avec les réactifs, transformant le papier de différentes couleurs. Les couleurs peuvent être assorties à celles d'une clé de couleur, tout comme elles le sont dans un test de pH. Une conception de test qui ressemble à un arbre géométrique miniature à trois branches peut avoir des puits au bout de deux branches pour un dosage du glucose et un à la fin de la troisième pour un dosage des protéines, par exemple.
La conception se passe de composants coûteux courants dans les dispositifs microfluidiques conventionnels : les réactions chimiques qui colorent les parties du papier remplacent les capteurs et les analyseurs sophistiqués, tandis que l'utilisation de l'action capillaire naturelle du papier pour absorber les liquides évite le besoin de pompes ou de sources d'alimentation externes. Diagnostic for All, une entreprise dérivée cofondée par Whitesides et Hayat Sindi, chercheur invité à Harvard, avec le soutien de partenaires du MIT, commercialise la technologie.
Au lieu de graver des canaux dans un matériau, comme le font la plupart des concepteurs de microfluidique, Whitesides et Sindi ont pu tirer parti du réseau de canaux inhérent au papier ; le polymère hydrophobe scelle simplement les canaux que les chercheurs ne veulent pas utiliser. Ce qui est vraiment intelligent à propos de ce système, c'est qu'ils ont en fait modelé tout le volume du substrat, explique Folch. Le papier lui-même forme un réseau de capillaires.
Un inconvénient, note Folch, est qu'en raison de l'action de pompage limitée des tests papier, ils ne seront probablement pas en mesure d'effectuer des réactions chimiques plus complexes.
En plus de rendre les appareils moins chers, les concepteurs ont gardé à l'esprit d'autres caractéristiques qui les rendraient plus pratiques dans le monde en développement. La légèreté du test et sa résistance à la rupture le rendent plus portable que les tests modelés sur des surfaces de verre facilement brisées. La puce de papier est également facilement jetable, par incinération, une considération clé dans les pays en développement soucieux de maintenir la santé publique, dit Whitesides. Le genre de choses que nous développons ici sont destinés à être utiles pour le dépistage de la santé publique dans les pays en développement, dit-il. Au lieu de prendre la médecine du premier monde et d'essayer de la réduire, l'équipe a commencé à concevoir la technologie en pensant aux pays en développement, en se concentrant sur la facilité d'utilisation, l'abordabilité et la portabilité, explique Whitesides.
Afin d'optimiser le dispositif pour les pays en développement, l'équipe prévoit de combiner les tests papier avec un système de téléphones portables pour le diagnostic hors site, minimisant le niveau d'expertise nécessaire pour utiliser les tests. C'est principalement un moyen de conserver le temps précieux et les ressources limitées des professionnels de la santé, explique Whitesides. L'équipe envisage que, dans les zones rurales où le nombre de médecins est limité, des personnes formées uniquement pour effectuer les tests les effectuent et les renvoient dans un établissement central où un médecin examine ces informations et [recommande] un diagnostic et un traitement sans avoir à être réellement là, dit Whitesides.
Pour l'instant, Whiteside et ses collègues ont testé l'outil de diagnostic papier à l'aide d'urine artificielle. Dans un article publié le mois dernier, ils ont analysé les résultats du papier à distance, via des caméras téléphoniques, et ont constaté que les résultats étaient comparables en termes de précision à l'analyse sur place, explique Whitesides.
La prochaine étape est un essai clinique et un déploiement quelque part en Afrique, dit Sindi. À l'heure actuelle, l'équipe teste l'appareil dans des conditions difficiles, dit-elle, telles que la haute pression, la température et l'humidité. Jusqu'à présent, le test ne semble pas être affecté négativement, dit Whitesides. L'équipe espère à terme aller au-delà des diagnostics humains, en développant des dispositifs pour tester l'eau, le bétail et d'autres sources de nourriture.
Les types de tests de diagnostic que vous souhaitez effectuer et les types de problèmes que vous souhaitez résoudre sont très divers dans le monde réel, explique Mehmet Fatih Yanik , professeur assistant au Laboratoire de recherche en électronique du MIT. Ce qui est bien avec le papier, c'est qu'il s'agit d'une plate-forme très flexible pour effectuer une variété d'essais. Il ajoute que fabriquer des dispositifs microfluidiques comme celui du groupe Whitesides est beaucoup moins cher que de fabriquer des machines de diagnostic en vrac. La combinaison des deux systèmes à faible coût – la fluidique à base de papier et les téléphones portables, qui sont assez omniprésents dans le monde en développement – est une idée nouvelle, déclare Yanik.
Cela apporte vraiment un outil qui aura un impact important sur la mise en œuvre de la microfluidique, une technologie qui nécessite généralement beaucoup de matériel et d'expertise pour être utilisée, explique Folch. Ils ont abaissé la barrière et sont capables d'apporter la microfluidique aux masses, pour ainsi dire.