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Microfluidics et Applications Biomédicales

Par M. Xianghong Ma

Mamans de M. Xianghong, Directeur, Organisme de Recherche de Génie Biomédical, École du Bureau D'études et Science Appliquée, Université d'Aston. Auteur Correspondant : x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics est un champ de recherche dans MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) et est concerné par le contrôle du flux des liquide mesurés dans micro, nano, ou même Pico, litre, quantités. Le liquide peut être liquide ou gazeux dans la nature, ou un mélange de les deux, et traverse des tunnels de micro-échelle, des pompes, des soupapes, et des filtres.

Ces dispositifs microfluidic peuvent être fabriqués en silicium ou glace utilisant les techniques photolithographiques et gravure qui ont été adaptées de l'entreprise de semiconducteurs, ou des matières organiques telles que les plastiques et les polymères [1,2].

Les dispositifs de Microfluidic exigent seulement un peu d'échantillon et de réactif pour traiter et surface de bandes de grande aux taux de volume. De plus, les temps de réaction et la facilité rapides de l'automatisation effectuent l'idéal microfluidic de dispositifs pour l'application dans des scénarios de génie biomédical.

Microfluidics ont été très utilisé dans le développement des systèmes d'analyse totaux (ou dispositifs de sur-puce de laboratoire) [2, 3], en particulier pour le dépistage des drogues dans l'industrie pharmaceutique et dans le développement des micro-alignements [4]. La technologie mûrit rapidement après l'effort de recherche vigoureux au cours des 20 dernières années. Dans un avenir proche, nous verrons une tendance croissante vers la production des dispositifs microfluidic réglés qui satisfont aux besoins particuliers, qui peuvent être cliniques, pharmaceutique, ou biotechnologique.

Une des applications les plus prometteuses du microfluidics en génie biomédical est dans le diagnostic de remarque-de-soins. Au stade important de préparation des échantillons, des cellules biologiques visées doivent être séparées d'autres substances dans l'échantillon. Conventionnel, des cellules peuvent être séparées dans une suspension hydraulique, basée sur la taille, densité, charge électrique, lumière-dispersant des propriétés, et des propriétés extérieures antigéniques. La Séparation des cellules selon cette métrique peut exiger les technologies complexes et le matériel de spécialiste. De Telles techniques comprennent la centrifugation, la cellule lancée par fluorescence triant, l'électrophorèse, la chromatographie, la séparation d'affinité et la séparation magnétique. Des solutions de Microfluidic ont été avec succès conçues à intègrent dans les techniques ci-dessus, ou au fonctionnement comme dispositif autonome pour exécuter des tâches de préparation des échantillons.

Un exemple intéressant est celui d'un dispositif microfluidic de filtration pour la cellule spermato-génétique triant pour supporter les procédés d'IVF (Fécondation in Vitro) et d'ICSI (injection intracytoplasmique de spermatozoïde) [5]. Dans certains cas de l'infertilité mâle de facteur, une cellule spermatogenic viable unique doit être recherchée d'une boulette de biopsie de sorte qu'elle puisse être directement injectée dans un oocyte. La boulette de biopsie contient un grand choix de tissus et un domaine des cellules germinales de toutes les commandes de maturité. Le procédé de trouver les cellules viables pour l'ICSI peut être coûteux en temps, exigeant des heures de travail intensif concernant hacher manuellement la boulette, des cycles successifs de séparation de cellules par la centrifugation, et la discrimination individuelle de cellules. Les cellules germinales deviennent plus petites pendant qu'elles mûrissent, commençant comme grand spermatogonion rond de 16~18µm et terminant comme petit et mince spermatozoïde de 4~6µm. Utilisant cette caractéristique, on peut viser à diviser les cellules spermatogenic en différentes catégories matures selon leurs tailles d'une façon rapide et efficace.

Suivant les indications du Schéma 1, la solution microfluidic est un dispositif microfabricated planaire passif de DRIE (gravure d'ion réactive profonde) [6] qui ont les puits indépendants pour rassembler les différents types de cellule qui sont séparés en réduisant graduellement des différences de filtre. La suspension liquide est déposée par le réservoir central avec les outils conventionnels de micromanipulation.

Le Schéma 1 : Image de microscopie électronique de Lecture d'un dispositif ONU-métallisé de filtre, visualisée du côté de filtration, des tunnels d'apparence et des segments linéaires de filtre rayonnant du réservoir central [6].

Par le contrôle attentif des propriétés des surfaces en contact avec le liquide, et en exploitant la nature laminaire du flux microfluidic, le filtre utilise la tension superficielle du liquide de fonctionnement pour piloter l'échantillon par le dispositif.

L'échelle de dispositif permet l'utilisation des forces qui évitent normalement l'écoulement de fluide au macro niveau pour tirer activement l'échantillon par les éléments filtrants, sans besoin de sources d'énergie externes.

Dans le test expérimental du dispositif, on l'a constaté que le microfluid 0.5µl avec environ 1500 microparticules pourrait être filtré à l'aide du dispositif dans moins de 1 seconde.

Le Schéma 2 donne le résultat de séparer un mélange des microsphères de 3µm et de 10µm, où la majorité des particules ont été rassemblées dans leurs réservoirs appropriés. Des concentrations Optimales des particules dans leurs puits appropriés de ramassage se sont avérées de la commande 50% pour 3µm et 84% pour des particules de 10µm respectivement. La part de cellules étant traitées s'est avérée un fonctionnement de leur transfert par le dispositif de filtre dans l'écoulement de fluide en vrac.

Le Schéma 2. image Confocale de la séparation d'une suspension mélangée des microsphères (vertes) de 3µm (rouge) et de 10µm utilisant un dispositif microfluidic. Dans ce design, des microcanaux de différentes tailles sont employés comme filtre et fournisseur de la force de tension superficielle pour tirer l'échantillon par le dispositif.

Ce dispositif offre un certain nombre d'avantages. Il est dû biocompatible à l'utilisation des matériaux tels que le silicium et la glace et lui est économiquement jetable, à cause du coût de fabrication faible pour de grands volumes de production, de ce fait éliminant la contamination d'échantillon.

De plus, la nature hydrophile des gisements indigènes d'oxyde dans les capillaires du dispositif signifie qu'elle est pratiquement inoffensive aux cellules et aux protéines [7]. Des techniques de pompage capillaires Autoalimentées peuvent être employées pour manipuler le liquide davantage, réduisant le besoin de matériel externe. Un Tel élan a le potentiel d'augmenter la fiabilité et la fonctionnalité, en éliminant les composants mobiles et en réduisant à un minimum de ce fait les dégâts mécaniques potentiels aux cellules provoquées en pompant, ou, en effet, les dégâts thermiques potentiels surgissant du pompage d'effet de marangoni.

En conclusion, l'inclusion des structures matérielles de filtration dans un système microfluidic passif active le traitement efficace des échantillons qui sont exempts de la contamination ou des dégâts. Le procédé mène à une réduction marquée à temps le temps de traitement et a le potentiel grand pour la séparation automatique et efficace de particules et le bio-échantillon traitant en travers d'un large éventail d'applications biomédicales.


Références :

[1] Becker, H., Locascio, L.E., dispositifs microfluidic de Polymère, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Rivet, C., et autres, Microfluidics pour des diagnostics médicaux et des biocapteurs, Ingénierie Chimique (2010), doi : 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Prince, M., Microsystèmes Intelligents pour des manipulations de cellules, thèse de PhD de l'université d'Aston, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., Scoper SA, Fusionnant le microfluidics avec des essais biologiques Puce ADN-Basés, Bureau D'études Biomoléculaire, 23, 2006, p213-231.

[5] Prince, M., Mamans X., Docker P., Salle M., Prewett P., Design et Modélisation d'un Filtre À Fluides Micro pour Séparer les Cellules Spermatogenic, Conférence Technique d'Ingénierie de Conception d'ASME, la Californie, Septembre 2005. Pp. 475-480. doi : 10.1115/DETC2005-85357

[6] Prince, M., Mamans X., Docker P., Salle M., Prewett P., Le développement d'une Bio-MEMS puce nouvelle de filtration pour la séparation des cellules particulières dans la suspension liquide, partie H d'IMechE : J du Bureau D'études en Médicament, 221(2), 2007. p113-128. doi : 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C., et Yager, cellule de débitmètre de silicium de P. Microfabricated pour la surveillance optique des fluides biologiques Anaux. Sci. 1999, 15, 721-724.

Date Added: Sep 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:18

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