Une minuscule bande de poil cellulaire microscopique appelée cil ne peut pas faire grand-chose par elle-même. Mais ensemble, ces structures accomplissent régulièrement des miracles biologiques dans le corps. Les cils éliminent les agents pathogènes inhalés des voies respiratoires, transportent le liquide céphalo-rachidien à travers les cavités cérébrales, transportent les ovules des ovaires vers l’utérus et drainent le mucus de l’oreille moyenne dans la cavité nasale. Ces minuscules organites extracellulaires exercent un contrôle microfluidique précis sur les fluides essentiels à la vie dans le corps. Pour mieux comprendre le fonctionnement de ces merveilles cruciales de la nature, les scientifiques ont tenté de les imiter pendant des années.
Maintenant, les chercheurs se sont rapprochés, créant une puce recouverte de cils artificiels qui peut contrôler avec précision les minuscules schémas d’écoulement des liquides. Les développeurs espèrent que cette technologie deviendra la base de nouveaux appareils de diagnostic portables. Actuellement, de nombreux tests de diagnostic en laboratoire sont chronophages, gourmands en ressources et nécessitent un soutien humain de proximité. Une puce recouverte de cils, selon les chercheurs, pourrait permettre des tests sur le terrain qui seraient plus simples, moins chers et plus efficaces que les tests en laboratoire – ainsi que l’utilisation d’échantillons beaucoup plus petits de sang, d’urine ou d’autres matériaux de test.
Les humains ont réalisé des prouesses d’ingénierie spectaculaires, mais « nous sommes toujours bloqués lorsqu’il s’agit de concevoir des machines miniaturisées », déclare Itai Cohen, physicien à l’Université Cornell et auteur principal d’une nouvelle. La nature Étude décrivant la puce cilia de son équipe. Les chercheurs avaient précédemment tenté de créer des cils artificiels fonctionnant à l’aide de pression, de lumière, d’électricité et même d’aimants. Cependant, un obstacle majeur subsistait : développer des actionneurs extrêmement petits – les parties d’une machine qui initient le mouvement – qui peuvent être contrôlés individuellement ou en petits groupes plutôt que tous à la fois.
Les chercheurs de Cornell ont sauté cet obstacle en s’inspirant de certaines choses qu’ils ont apprises dans leurs travaux précédents. En août 2020, Guinness World Records a reconnu Cohen et son équipe pour avoir développé le plus petit robot marcheur du monde, une machine d’à peine une fraction de millimètre de large qui pouvait marcher sur quatre jambes flexibles. Semblables à ces pattes, les nouveaux cils artificiels sont constitués d’un film pliable d’une épaisseur nanométrique qui peut répondre au contrôle électrique. Chaque cil mesure un vingtième de millimètre de long (moins de la moitié de la longueur d’un acarien) et 10 nanomètres d’épaisseur – plus mince que le plus petit organite cellulaire – avec une bande de platine d’un côté et une couche de titane de l’autre.
La clé du contrôle électrique de ces cils artificiels réside dans leur construction métallique. Une réaction chimique est déclenchée par l’écoulement d’une faible tension positive à travers un cil : lorsqu’une goutte de liquide de test s’écoule, le platine électrifié brise les molécules d’eau à l’intérieur de la goutte. Cela libère des atomes d’oxygène, qui sont absorbés par la surface du platine. L’oxygène ajouté étire la bande et lui permet de se plier dans une direction. Dès que la tension est inversée, l’oxygène est expulsé du platine – et les cils retrouvent leur forme d’origine. « Ainsi, en faisant osciller la tension d’avant en arrière, vous pouvez plier la bande et la plier en arrière, créant des vagues qui entraînent le mouvement », explique Cohen. Pendant ce temps, le film de titane électriquement inerte stabilise la structure.
Ensuite, les chercheurs ont dû trouver comment modeler une surface avec des milliers de leurs cils artificiels. En se pliant et en se détendant simplement une à la fois, ces fines bandes peuvent propulser une quantité microscopique de liquide dans une direction spécifique. Cependant, pour faire couler une gouttelette selon un schéma plus complexe, les chercheurs ont dû subdiviser la surface de leur puce en « unités de cils » de quelques dizaines de cils chacune – chaque unité étant contrôlable individuellement. L’équipe de Cornell a d’abord conçu un système de contrôle virtuel, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Cambridge pour simuler numériquement en trois dimensions comment une gouttelette se déplacerait à travers une puce couverte de cils.
Après avoir utilisé ces simulations informatiques pour vérifier les aspects théoriques de leur travail, les chercheurs ont procédé à la création d’un dispositif physique. Leur puce d’un centimètre de large est disposée avec environ un millier de minuscules bandes de platine-titane, qui sont divisées en 16 unités de cils, chacune avec 64 cils. Étant donné que chaque unité est reliée indépendamment à un système de contrôle informatique, les unités individuelles peuvent être programmées séparément puis coordonnées pour déplacer le fluide d’essai dans une direction donnée. En travaillant ensemble, les 16 unités pourraient créer des combinaisons presque infinies de modèles de flux.
Le premier appareil de l’équipe peut propulser des gouttelettes selon des schémas spécifiques, mais il n’est pas aussi efficace que le souhaiteraient les chercheurs. Ils prévoient déjà des puces de nouvelle génération avec des cils qui ont plus d’une « charnière ». Cela leur donne plus de flexibilité, « ce qui peut vous permettre d’avoir un flux de fluide beaucoup plus efficace », explique Cohen.
L’étude « nous a élégamment éclairés sur la façon dont un contrôle indépendant et adressable des réseaux de cils artificiels via des signaux électroniques pourrait être réalisé pour créer des opérations microfluidiques programmables complexes », a déclaré Zuankai Wang, chercheur en microfluidique à la City University de Hong Kong, qui n’était pas impliqué dans le nouvelle étude. « Espérons que la production de masse d’appareils de diagnostic non attachés et à faible coût pourrait être à portée de main dans les années à venir. »
Étant donné que la nouvelle technologie imite les structures biologiques, elle convient aux applications médicales. Les chercheurs envisagent une puce recouverte de cils comme base d’un appareil de diagnostic qui pourrait examiner n’importe quel échantillon d’eau, de sang ou d’urine à la recherche de contaminants ou de marqueurs de maladie. Un utilisateur placerait une goutte de sang ou d’urine sur la puce, et les cils artificiels transporteraient l’échantillon – ainsi que tous les produits chimiques ou agents pathogènes qu’il pourrait contenir – d’un endroit à un autre, lui permettant de se mélanger et de réagir avec divers tests agents au fur et à mesure de ses déplacements. Des biocapteurs intégrés à la puce mesureraient les produits de ces réactions chimiques, puis demanderaient aux cils de manipuler davantage le flux de fluide, permettant à la puce d’effectuer des tests supplémentaires pour confirmer les résultats. « De cette manière, toutes les expériences chimiques qui auraient normalement lieu dans un laboratoire de chimie peuvent être réalisées sur une puce de la taille d’un centimètre », explique Cohen. « La puce pourrait également fonctionner seule car elle peut utiliser de petites cellules solaires attachées à la puce elle-même. » Un tel appareil auto-alimenté serait idéal pour une utilisation sur le terrain.
« C’est formidable de voir comment ils ont combiné la microélectronique avec la mécanique des fluides », déclare Manoj Chaudhury, un scientifique des matériaux à l’Université de Lehigh qui n’a pas participé à la nouvelle étude. Les chercheurs ont résolu un problème clé, mais faire du produit résultant une réalité nécessite plus de travail, dit Chaudhury. « Lorsque vous concevez un système de réacteur pour analyser une goutte de sang, il doit y avoir des stations locales où vous devrez peut-être même chauffer ou refroidir l’échantillon », dit-il. « Il serait donc intéressant de voir comment ils peuvent intégrer tous ces aspects dans un seul microréacteur. »
Les post-cils sont de minuscules merveilles, et les scientifiques découvrent enfin comment les imiter sont apparus en premier sur Germanic News.