Des cils artificiels pourraient un jour alimenter des appareils de diagnostic
Les cils sont les huissiers diligents du corps. Ces poils microscopiques, qui déplacent le liquide par des battements rythmiques, sont chargés de pousser le liquide céphalo-rachidien dans votre cerveau, d’éliminer les mucosités et la saleté de vos poumons et de garder les autres organes et tissus propres.
Merveille technique, les cils se sont révélés difficiles à reproduire dans les applications d’ingénierie, en particulier à l’échelle microscopique.
Les chercheurs de Cornell ont maintenant conçu un système ciliaire artificiel de taille micro utilisant des composants à base de platine qui peuvent contrôler le mouvement des fluides à une telle échelle. La technologie pourrait un jour permettre des dispositifs de diagnostic portables à faible coût pour tester des échantillons de sang, manipuler des cellules ou aider aux processus de microfabrication.
L’article du groupe, « Cilia Metasurfaces for Electronically Programmable Microfluidic Manipulation », publié le 25 mai dans Nature. L’auteur principal est le doctorant Wei Wang.
« Il existe de nombreuses façons de fabriquer des cils artificiels qui réagissent aux forces lumineuses, magnétiques ou électrostatiques », a déclaré Wang. « Mais nous sommes les premiers à utiliser notre nouveau nano-actionneur pour démontrer des cils artificiels contrôlés individuellement. »
Le projet, dirigé par l’auteur principal de l’article, Itai Cohen, professeur de physique au Collège des arts et des sciences, s’appuie sur un actionneur électrique à base de platine – la partie de l’appareil qui se déplace – son groupe précédemment créé pour permettre robots microscopiques pour marcher. La mécanique de ces jambes de bot pliées est similaire, mais la fonction et les applications du système de cils sont différentes et assez flexibles.
« Ce que nous montrons ici », a déclaré Cohen, « c’est qu’une fois que vous pouvez traiter individuellement ces cils, vous pouvez manipuler les flux comme vous le souhaitez. Vous pouvez créer plusieurs trajectoires distinctes, vous pouvez créer un flux circulaire, vous pouvez créer un transport ou des flux qui se divisent en deux chemins puis se recombinent. Vous pouvez obtenir des lignes de flux en trois dimensions. Tout est possible. »
« Il a été très difficile d’utiliser les plates-formes existantes pour créer des cils petits, fonctionnant dans l’eau, adressables électriquement et pouvant être intégrés à des composants électroniques intéressants », a déclaré Cohen. « Ce système résout ces problèmes. Et avec ce type de plate-forme, nous espérons développer la prochaine vague de dispositifs de manipulation de microfluides. »
Un dispositif typique consiste en une puce contenant 16 unités carrées avec 8 réseaux de cils par unité et 8 cils par réseau, chaque cil mesurant environ 50 micromètres de long, ce qui donne un «tapis» d’environ un millier de cils artificiels. Lorsque la tension sur chaque cil oscille, sa surface s’oxyde et se réduit périodiquement, ce qui fait que le cil se plie d’avant en arrière, lui permettant de pomper du fluide à des dizaines de microns par seconde. Différents réseaux peuvent être activés indépendamment, créant ainsi une combinaison infinie de modèles de flux imitant la flexibilité observée chez leurs homologues biologiques.
En prime, l’équipe a créé un dispositif de cils équipé d’un circuit d’horloge complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) – essentiellement un «cerveau» électronique qui permet aux cils de fonctionner sans être attachés à un système informatique conventionnel. Cela ouvre la porte au développement d’une foule de tests de diagnostic à faible coût qui pourraient être effectués sur le terrain.
« Vous pouvez imaginer à l’avenir, des gens prenant ce petit appareil centimètre par centimètre, y mettant une goutte de sang et effectuant tous les tests », a déclaré Cohen. « Vous n’auriez pas besoin d’avoir une pompe sophistiquée, vous n’auriez pas besoin d’équipement, vous l’auriez littéralement mis sous la lumière du soleil et cela fonctionnerait. Cela pourrait coûter de l’ordre de 1 $ à 10 $.
Référence: Wang W, Liu Q, Tanasijevic I, et al. Métasurfaces de cils pour la manipulation microfluidique programmable électroniquement. Nature. 2022;605(7911):681-686. doi : 10.1038/s41586-022-04645-w
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