La fabrication hybride de dispositifs microfluidiques au service du diagnostic médical
Les systèmes microélectromécaniques microfluidiques (MEMS) sont des instruments de précision de taille nanométrique qui combinent des composants mécaniques et électriques et sont en mesure de manipuler des fluides. Capables de traiter des volumes d’échantillons inférieurs à un millilitre, ils sont susceptibles d’être utilisés comme dispositifs de diagnostic médical dotés de fonctions intelligentes telles que la détection moléculaire et l’analyse des signaux. Surnommés «laboratoires sur puce», ils sont généralement fabriqués à partir de polymères, pour leurs propriétés avantageuses, offrent de faibles volumes de réactifs, un traitement rapide et un contrôle précis. Toutefois, du fait des matériaux et des techniques utilisés, leur production reste complexe. «La faisabilité fonctionnelle et commerciale des dispositifs microfluidiques polymériques repose sur l’intégration rentable de multiples fonctionnalités, matériaux et processus avec une précision et une répétabilité élevées», explique Costas Charitidis, coordinateur du projet M3DLoC, financé par l’UE, et directeur du laboratoire R-Nano au sein de l’université technique nationale d’Athènes (NTUA), hôte du projet. M3DLoC a mis au point un prototype de ligne pilote de fabrication numérique capable de produire ce type de système microfluidique polymérique, avec des solutions sur mesure allant de petits volumes à des lots à l’échelle pilote de 10 à 1 000 dispositifs, en fonction de la taille, des exigences d’essai et de la complexité globale de la conception des caractéristiques. «En utilisant les technologies d’impression 3D dans des chaînes de processus hybrides additifs et soustractifs, nous avons créé une ligne de production entièrement numérique et automatisée. Cette ligne de production pilote unique et de premier plan au niveau international pourrait ouvrir de nouvelles perspectives commerciales dans l’industrie biomédicale», ajoute Eleni Gkartzou, de l’équipe de coordination NTUA du projet.
Un procédé de fabrication hybride
La ligne de production pilote de M3DLoC comprend cinq stations de traitement et deux systèmes de métrologie en ligne pour l’assurance qualité des composants. Les étapes de la séquence de fabrication peuvent être modifiées en combinant la fabrication additive (FA) basée sur l’extrusion et l’impression à jet d’encre, avec le micro-usinage et le traitement au laser. «Cette approche intégrée associe la microfabrication flexible et l’intégration multimatériaux pour concevoir des caractéristiques microfluidiques à haut rapport d’aspect sur des substrats polymères, tout en incorporant des électrodes microstructurées à base de carbone et des biomolécules déposées avec précision, jusqu’à des volumes de l’ordre du picolitre», explique Dimitrios Fantanas, qui fait également partie de l’équipe de coordination NTUA du projet.
Intégrer l’analyse des échantillons dans une cartouche
Le projet a démontré la capacité de la ligne de production à concevoir des dispositifs adaptés aux diagnostics cliniques en s’appuyant sur des protocoles et des tests développés par des experts en microfluidique et des utilisateurs finaux. Elle fonctionne pour les biomarqueurs viraux (VIH, SARS-CoV-2), bactériens (souches bactériennes de tuberculose résistantes aux médicaments) et cancéreux (mutations du récepteur du facteur de croissance épidermique). Différents paramètres (contrôle des fluides, conception des capteurs et fabrication) ont été simulés en fonction des exigences de l’utilisateur final. En outre, des matériaux thermoplastiques biodérivés et des encres conductrices à base d’eau à faible impact environnemental ont été mis au point, ils sont capables de remplacer des matériaux plus traditionnels tels que le silicium et le verre. «Les résultats ont démontré que les dispositifs M3DLoC sont adaptés à l’analyse d’échantillons cliniques complexes et sont comparables aux méthodes de référence validées cliniquement», note Costas Charitidis.
Une chaîne de valeur complète pour de multiples applications
Le projet M3DLoC et ses partenaires ont apporté leur contribution lors de la COVID-19, dans la mesure où le système de FA M3DLoC a été utilisé pour produire des équipements de protection individuelle pour les travailleurs de la santé. Ils ont surmonté les obstacles liés à la pandémie et développé une chaîne de valeur complète, de la conception du prototype à l’évaluation des performances, en passant par le développement des matériaux, la production et la mise en œuvre. «Des tests peu coûteux et très performants permettent un diagnostic plus précoce, une médecine personnalisée et un meilleur suivi des patients, réduisant ainsi les coûts des soins de santé et améliorant la qualité de vie», ajoute Costas Charitidis. Ces dispositifs de diagnostic pourraient également améliorer les techniques de contrôle de la qualité dans les secteurs de la chimie, du pétrole et du gaz, de la pharmacie et de l’alimentation, mais aussi contribuer aux systèmes de surveillance de l’environnement et de l’agriculture. «La ligne pilote est disponible pour les utilisateurs finaux qui ont besoin d’une installation de microfabrication dans un environnement industriel en libre accès pour la production test de dispositifs médicaux. Elle permet d’accélérer le passage de la recherche et du développement à la production pré-commerciale, grâce au prototypage rapide et à la fabrication entièrement numérisée», conclut Costas Charitidis.
Mots‑clés
M3DLoC, fabrication additive, FA, impression 3D, laboratoires sur puce, multifluidique, polymérique, essais, diagnostic, SARS-CoV-2