La nouvelle technique d’impression 3D change la donne pour les appareils de test médical

Les dispositifs microfluidiques sont des outils de test compacts constitués de minuscules canaux gravés sur une puce, qui permettent aux chercheurs biomédicaux de tester les propriétés des liquides, des particules et des cellules à une micro-échelle. Ils sont essentiels au développement de médicaments, aux tests de diagnostic et à la recherche médicale dans des domaines tels que le cancer, le diabète et maintenant le COVID-19. Cependant, la production de ces dispositifs demande beaucoup de main-d’œuvre, avec des canaux et des puits minuscules qui doivent souvent être gravés manuellement ou moulés dans une puce de résine transparente pour les tests. Alors que l’impression 3D a offert de nombreux avantages pour la fabrication de dispositifs biomédicaux, ses techniques n’étaient auparavant pas assez sensibles pour construire des couches avec les moindres détails requis pour les dispositifs microfluidiques. Jusqu’à maintenant.

Des chercheurs de l’USC Viterbi School of Engineering ont maintenant développé une technique d’impression 3D hautement spécialisée qui permet de fabriquer des canaux microfluidiques sur des puces à une micro-échelle précise jamais atteinte auparavant. La recherche, dirigée par Daniel J. Epstein Département de génie industriel et des systèmes Ph.D. diplômé Yang Xu et professeur de génie aérospatial et mécanique et de génie industriel et des systèmes Yong Chen, en collaboration avec le professeur de génie chimique et de science des matériaux Noah Malmstadt et le professeur Huachao Mao à l’Université Purdue, a été publié dans Communication Nature.

L’équipe de recherche a utilisé un type de technologie d’impression 3D connue sous le nom de photopolymérisation en cuve, qui exploite la lumière pour contrôler la conversion de la résine liquide en son état final solide.

« Après la projection de la lumière, nous pouvons essentiellement décider où construire les pièces (de la puce), et parce que nous utilisons la lumière, la résolution peut être assez élevée au sein d’une couche. Cependant, la résolution est bien pire entre les couches, ce qui est un facteur critique. défi dans la construction de canaux à micro-échelle », a déclaré Chen.

« C’est la première fois que nous avons pu imprimer quelque chose où la hauteur du canal est au niveau de 10 microns ; et nous pouvons le contrôler très précisément, avec une erreur de plus ou moins un micron. C’est quelque chose qui n’a jamais été fait auparavant, il s’agit donc d’une percée dans l’impression 3D de petits canaux », a-t-il déclaré.

La photopolymérisation en cuve utilise une cuve remplie de résine photopolymère liquide, à partir de laquelle un article imprimé est construit couche par couche. La lumière ultraviolette est ensuite projetée sur l’objet, durcissant et durcissant la résine à chaque niveau de couche. Lorsque cela se produit, une plate-forme de construction déplace l’élément imprimé vers le haut ou vers le bas afin que des couches supplémentaires puissent être construites dessus.

Mais lorsqu’il s’agit de dispositifs microfluidiques, la photopolymérisation en cuve présente certains inconvénients dans la création des minuscules puits et canaux nécessaires sur la puce. La source de lumière UV pénètre souvent profondément dans la résine liquide résiduelle, durcissant et solidifiant le matériau à l’intérieur des parois des canaux de l’appareil, ce qui obstruerait l’appareil fini.

« Lorsque vous projetez la lumière, idéalement, vous ne voulez durcir qu’une couche de la paroi du canal et laisser la résine liquide à l’intérieur du canal intacte ; mais il est difficile de contrôler la profondeur de durcissement, car nous essayons de cibler quelque chose qui n’est qu’un écart de 10 microns », a déclaré Chen.

Il a déclaré que les processus commerciaux actuels ne permettaient que la création d’une hauteur de canal au niveau de 100 microns avec un contrôle de précision médiocre, en raison du fait que la lumière pénètre trop profondément dans une couche durcie, à moins que vous n’utilisiez une résine opaque qui ne fonctionne pas. t permettre autant de pénétration de lumière.

« Mais avec un canal microfluidique, vous voulez généralement observer quelque chose au microscope, et s’il est opaque, vous ne pouvez pas voir le matériau à l’intérieur, nous devons donc utiliser une résine transparente », a déclaré Chen.

Afin de créer avec précision des canaux en résine transparente à un niveau microscopique adapté aux dispositifs microfluidiques, l’équipe a développé une plate-forme auxiliaire unique qui se déplace entre la source lumineuse et le dispositif imprimé, empêchant la lumière de solidifier le liquide dans les parois d’un canal, de sorte que le toit du canal peut ensuite être ajouté séparément au sommet de l’appareil. La résine résiduelle qui reste dans le canal serait toujours à l’état liquide et peut ensuite être évacuée après le processus d’impression pour former l’espace du canal.

Les dispositifs microfluidiques ont des applications de plus en plus importantes dans la recherche médicale, le développement de médicaments et le diagnostic.

« Il y a tellement d’applications pour les canaux microfluidiques. Vous pouvez faire passer un échantillon de sang à travers le canal, en le mélangeant avec d’autres produits chimiques afin que vous puissiez, par exemple, détecter si vous avez un COVID ou une glycémie élevée », a déclaré Chen.

Il a déclaré que la nouvelle plate-forme d’impression 3D, avec ses canaux à micro-échelle, permettait d’autres applications, telles que le tri des particules. Un trieur de particules est un type de puce microfluidique qui utilise des chambres de différentes tailles qui peuvent séparer des particules de différentes tailles. Cela pourrait offrir des avantages significatifs à la détection et à la recherche sur le cancer.

« Les cellules tumorales sont légèrement plus grosses que les cellules normales, qui mesurent environ 20 microns. Les cellules tumorales pourraient dépasser 100 microns », a déclaré Chen. « À l’heure actuelle, nous utilisons des biopsies pour rechercher des cellules cancéreuses ; en coupant un organe ou un tissu d’un patient pour révéler un mélange de cellules saines et de cellules tumorales. Au lieu de cela, nous pourrions utiliser de simples dispositifs microfluidiques pour faire circuler (l’échantillon) à travers des canaux avec des impressions précises hauteurs pour séparer les cellules en différentes tailles afin que nous ne permettions pas à ces cellules saines d’interférer avec notre détection. »

Chen a déclaré que l’équipe de recherche était maintenant en train de déposer une demande de brevet pour la nouvelle méthode d’impression 3D et recherchait une collaboration pour commercialiser la technique de fabrication des dispositifs de test médicaux.