Le mouvement infime d’un cil, sorte de poil cellulaire microscopique, ne provoque guère de changement chez son propriétaire. Mais si elles bougent toutes ensemble, ces structures réalisent de véritables prouesses biologiques au sein de l’organisme.

Les cils éliminent les agents pathogènes inhalés qui ont atteint le système respiratoire, transportent le liquide céphalo-rachidien à travers les cavités cérébrales, poussent les œufs de l’ovaire vers l’utérus et drainent le mucus de l’oreille moyenne dans la cavité nasale. Ces minuscules organites exercent un contrôle microfluidique précis sur les fluides vitaux du corps. Pour mieux comprendre comment fonctionnent ces merveilles de la nature, beaucoup ont tenté de les imiter.

Maintenant, il est plus proche que jamais d’y parvenir. Une équipe multi-recherche a créé une puce recouverte de cils artificiels. Avec lui, ils peuvent contrôler avec précision les minuscules schémas d’écoulement des fluides. Les développeurs espèrent que cette technique deviendra la base de nouveaux appareils de diagnostic portables. Actuellement, de nombreux tests de diagnostic en laboratoire consomment du temps et des ressources et nécessitent une intervention humaine. Une puce recouverte de cils rendrait ces tests plus faciles, moins chers et plus efficaces. De plus, les échantillons de sang, d’urine ou d’autre matériel qui seraient nécessaires pourraient être beaucoup plus petits.

Les humains ont accompli des prouesses technologiques spectaculaires à grande échelle, mais « nous ne sommes pas tout à fait sur la même page lorsqu’il s’agit de concevoir des machines miniatures », explique Itai Cohen, physicien à l’Université Cornell et auteur principal de l’étude, publiée dans Nature. , dans le qui décrit la puce avec des cils. Dans le passé, des tentatives ont été faites pour créer des cils artificiels qui fonctionnent à l’aide de pression, de lumière, d’électricité et même d’aimants. Mais un obstacle majeur restait à résoudre : la conception de minuscules actionneurs (les pièces qui activent le mouvement d’une machine) qui pourraient être contrôlés individuellement ou en petits groupes, au lieu de tous à la fois.

Les chercheurs ont résolu le problème en s’inspirant de certains aspects de leurs travaux antérieurs. En août 2020, le livre Guinness des records du monde a reconnu Cohen et son équipe pour avoir conçu le plus petit robot marcheur du monde. Sa machine, d’une taille d’une fraction de millimètre seulement, marchait sur quatre pieds flexibles. De même, les nouveaux cils artificiels sont constitués d’un film flexible d’une épaisseur nanométrique qui répond au contrôle électrique. Chaque cil mesure un vingtième de millimètre de long (moins de la moitié de la taille d’un acarien) et dix nanomètres d’épaisseur (plus fin que le plus petit organite cellulaire). L’un de ses côtés est recouvert d’une bande de platine et l’autre – d’un film de titane.

La clé du contrôle électrique de ces cils artificiels réside dans leur composition métallique. En appliquant une petite tension positive à travers un cil, une réaction chimique est déclenchée ; lorsqu’il entre en contact avec une goutte d’un fluide à tester, le platine électrisé brise les molécules d’eau du fluide. Cela libère les atomes d’oxygène, qui seront absorbés par la surface de platine. L’oxygène capté allonge la bande et la fait plier dans une direction. Lorsque la tension est inversée (passe du positif au négatif), l’oxygène quitte le platine et le cil retrouve sa forme d’origine. Comme l’explique Cohen : « En faisant varier la tension, la bande peut se plier et se déplier à volonté, créant des vagues qui entraîneront le mouvement [du fluide d’essai]. » Pendant ce temps, le film de titane.

L’étape suivante consistait à créer une surface avec des milliers de cils artificiels. En se pliant et se dépliant les unes après les autres, ces fines lamelles peuvent propulser une quantité microscopique de fluide dans une certaine direction. Mais pour qu’une gouttelette coule selon un schéma plus complexe, l’équipe a dû diviser la surface de la puce en groupes de cils pouvant être contrôlés séparément. En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Cambridge, l’équipe de Cornell a conçu virtuellement un système de contrôle pour simuler le mouvement d’une goutte à travers une puce recouverte de cils en trois dimensions.

Après avoir analysé tous les aspects théoriques à travers ces simulations, ils ont construit le dispositif physique. Sa puce d’un centimètre de large est recouverte de centaines de minuscules bandes de platine et de titane et est divisée en 64 unités ciliaires, chacune composée de huit cils. Étant donné que chaque unité peut être contrôlée indépendamment, il est possible de la programmer séparément, puis de la coordonner avec le reste pour déplacer le fluide dans la direction souhaitée. En travaillant ensemble, les unités pourraient créer des modèles de flux sans fin.

Le premier appareil créé par l’équipe peut diriger les gouttelettes selon des schémas spécifiques, mais il n’est pas aussi efficace qu’ils l’auraient souhaité. Ils planifient déjà la prochaine génération de puces avec des cils avec plus d’un « joint ». Ils auront plus de capacité de flexion « et l’écoulement du fluide sera beaucoup plus efficace », note Cohen.

L’étude « montre avec élégance qu’en utilisant des signaux électriques, il est possible de contrôler séparément des ensembles de cils artificiels pour effectuer des opérations complexes et programmables avec des fluides », explique Zuankai Wang, expert en microfluidique à la City University de Hong Kong, qui n’a pas participé. dans l’étude. « Nous espérons que des appareils de diagnostic portables à faible coût pourront être produits en masse dans les années à venir. »

Étant donné que la nouvelle technique imite les structures biologiques, il est parfaitement logique de l’utiliser en médecine. Il faciliterait, par exemple, l’analyse d’un échantillon d’eau, de sang ou d’urine à la recherche de contaminants ou de marqueurs d’une maladie. L’utilisateur placerait une gouttelette de sang ou d’urine sur la puce, et des cils artificiels déplaceraient l’échantillon (ainsi que tous les composés ou agents pathogènes qu’il contenait), le faisant se mélanger aux réactifs. Un réseau de biocapteurs intégrés à la puce mesurerait les produits de ces réactions chimiques. Ils demanderaient alors aux cils de manipuler davantage l’écoulement du fluide, permettant des tests supplémentaires pour confirmer les résultats. « Ainsi, toutes les expériences chimiques qui nécessitent aujourd’hui un laboratoire seraient réalisées sur une puce d’un centimètre », a-t-il ajouté. explique Cohen. « La puce pourrait également être alimentée par de minuscules panneaux solaires intégrés. » Un appareil autonome comme celui-ci serait idéal.

« C’est incroyable de voir comment ils ont combiné la microélectronique avec la mécanique des fluides », a déclaré Manoj Chaudhury, un scientifique des matériaux à l’Université de Lehigh qui n’était pas lié à l’étude. Selon lui, ils ont résolu un problème essentiel, mais il reste encore beaucoup de travail à faire. « Lorsqu’un système de réacteur est conçu pour analyser une goutte de sang, il doit y avoir des stations locales où il est parfois nécessaire de chauffer ou de refroidir l’échantillon. Il serait donc très intéressant de voir comment ils intègrent tous ces aspects dans un microréacteur.

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