Technologie de laboratoire sur puce à base de graphène
L’un des principaux objectifs de la recherche a été d’intégrer de nombreuses procédures de laboratoire dans un cadre pouvant être placé sur une puce, connu sous le nom de Lab-on-a-Chip (LOC).
Crédit d’image : luchschenF/Shutterstock.com
Le graphène est devenu l’un des matériaux les plus remarquables depuis son premier isolement en 2004, avec la capacité de perturber profondément et d’influencer positivement un vaste éventail d’industries, y compris l’industrie LOC. Cet article vise à faire la lumière sur le potentiel du graphène en tant que solution commercialement viable pour les dispositifs LOC.
Changement de paradigme dans les pratiques de diagnostic conventionnelles
Rien qu’en 2021, l’OMS estime que 1,5 million de personnes ont été infectées par le VIH.
Dans le monde, plus de 40 millions de personnes sont séropositives. Malheureusement, en raison du coût élevé de la procédure de dépistage du VIH, 90 % de ces personnes n’ont pas pu suivre la progression de leur infection. De plus, la procédure de dépistage du VIH nécessite un laboratoire entièrement équipé et un technicien qualifié, ce qui la rend indisponible dans la plupart des régions reculées et des pays sous-développés.
Des efforts sont déployés pour réduire l’ensemble de la procédure de test à un seul morceau de puce pour moins d’un dollar. Ici, une quantité infime de fluide corporel ou d’échantillon de sang pourrait fournir des résultats instantanés et un diagnostic de maladies chroniques.
Avec la technologie LOC, l’industrie médicale est sur le point d’en faire une réalité.
LOC est basé sur la technologie de base de la microfluidique. Les technologies microfluidiques utilisées dans les dispositifs de laboratoire sur puce permettent la fabrication de millions de microcanaux, chacun mesurant seulement quelques micromètres, sur une seule puce. Les microcanaux permettent le traitement de fluides en quantités aussi petites que quelques picolitres, ce qui réduit les volumes d’échantillons nécessaires au diagnostic.
Graphène : l’avenir des dispositifs de laboratoire sur puce
La photolithographie est à la base de la majorité des technologies de fabrication de laboratoires sur puce. Le silicium est utilisé comme matériau principal pour les LOC parmi les semi-conducteurs. Cependant, pour réduire les coûts de production élevés du Si et répondre aux besoins de compatibilité bio ou chimique, des matériaux tels que le papier, le verre, le polymère et l’hydrogel sont fréquemment utilisés pour fabriquer des dispositifs de laboratoire sur puce.
Parmi ces matériaux, le graphène se distingue par son inclusion dans les LOC. Cela est dû à sa surface élevée, qui facilite la fonctionnalisation de surface du biorécepteur souhaité pour obtenir une détection de molécule unique ; une excellente conductivité électrique, ce qui est bénéfique pour les lectures électriques sensibles, et une résistance mécanique exceptionnelle, qui fait du graphène un matériau essentiel pour la fabrication de dispositifs LOC.
Le transistor fait partie intégrante d’un dispositif de laboratoire sur puce. Un transistor à effet de champ à base de graphène (GFET) est fabriqué par une technique de photolithographie. Dans cette technique, le graphène développé par CVD est modelé dans des canaux FET entre deux électrodes métalliques – la source et le drain. La surface du canal GFET est fonctionnalisée par des molécules bioréceptrices ou de liaison. Lorsque des molécules cibles telles que des virus sont attachées aux molécules de liaison à la surface du graphène, cela modifie la conductivité et une modification de la conductance électrique du GFET se produit.
Dispositifs LOC à base de graphène à l’avant-garde commerciale :
Cardea bio-intégrant la biologie avec l’électronique
Les changements de paradigme dans la commercialisation des dispositifs LOC à base de graphène sont survenus lorsque Cardea, la startup basée aux États-Unis, a annoncé le développement de l’unité de traitement du biosignal (BPU ™) – un type de micropuce qui utilise le GFET comme surface de détection active qui fournit la prochaine -biopsie liquide de génération pour la détection du cancer.
Les biopsies traditionnelles sont des biopsies tissulaires ; cependant, ils sont assez intrusifs et fournissent rarement une détection précoce. Cardea a utilisé la plate-forme GFET pour détecter plusieurs cancers dans un seul échantillon fluidique.
Il est basé sur la notion que lorsqu’une biomolécule se lie au GFET, elle modifie les caractéristiques électriques du graphène et fournit un signal détectable qui peut être converti en une sortie lisible. Il est possible de détecter des biomolécules à base d’ARN, d’ADN et de protéines sur une seule plate-forme en plaçant diverses molécules de capture au-dessus de la couche GFET. De ce fait, le procédé peut être utilisé pour le diagnostic du cancer et la détection de maladies.
Le BPU™ a été initialement conçu pour détecter si un patient avait un cancer. Pourtant, cette année, Cardea et Siemens Healthineers Center for Innovation in Diagnostics ont annoncé une coentreprise pour utiliser le BPU™ pour détecter plusieurs biomarqueurs de maladies, dont le SRAS-CoV-2.
Crédit d’image : luchschenF/Shutterstock.com
Graphène intégré : du concept à la commercialisation
Integrated Graphene, la société écossaise, a développé une électrode en mousse de graphène 3D connue sous le nom de Gii-Sens pour la biodétection. La technologie Gii-Sens peut être facilement intégrée dans des produits existants pour une gamme de volumes fluidiques allant des microlitres aux millilitres afin d’améliorer les performances de l’appareil.
Depuis sa première apparition commerciale, le Gii-Sens a été intégré dans une gamme de plates-formes de détection pour différentes applications de surveillance de la santé, y compris la détection des niveaux de glucose dans le sang des patients diabétiques et le SRAS-CoV-2.
Récemment, Integrated Graphene a rejoint l’équipe SensiBile pour aider à détecter la qualité du foie d’un donneur afin de prédire la probabilité de développer des complications post-transplantation hépatique chez un patient receveur.
Grapheal : dispositifs de point de service pour la santé mondiale
Grapheal, une société dérivée du CNRS-Grenoble (France) créée en 2019, est une autre startup qui a développé des percées notables dans la technologie des laboratoires sur puce. Certains de leurs travaux les plus récents ont porté sur le test de diagnostic COVID-19.
TestNPaa est le test de diagnostic de Grapheal pour dépister rapidement l’infection au COVID-19. Le biocapteur est constitué de graphène fonctionnalisé et détecte un signal électrique spécifique lorsque le virus SARS-CoV-2 interagit avec des anticorps résidant sur une couche de graphène dans TestNPass. En 5 minutes, le test numérique détecte l’existence du virus et alerte les utilisateurs via l’application smartphone gratuite de Grapheal.
WoundLAB est un autre produit unique qui est devenu populaire en 2022. Avec la possibilité d’enregistrer en continu, ce patch biocapteur flexible et transparent à base de graphène mesure la progression de la plaie en temps réel. Les données sont ensuite communiquées à un cloud médical via une application pour smartphone pour l’agrégation des données et une analyse plus approfondie. Les médecins sont alors en mesure de surveiller à distance la cicatrisation des plaies chez leurs patients et de recevoir des avertissements en cas d’infection ou de problème médical.
L’avenir du laboratoire sur puce à base de graphène
Les dispositifs de laboratoire sur puce à base de graphène offrent sans aucun doute les avantages d’une sensibilité élevée en raison de la conductivité élevée du graphène, de la faible consommation de volume d’échantillon, de la détection instantanée et de la convivialité. La reproductibilité est essentielle dans tout appareil LOC, ceux contenant du graphène. Cependant, avec la récente forte réduction du coût de fabrication du graphène de haute qualité, les LOC à base de graphène pourraient bientôt ouvrir une nouvelle voie pour des dispositifs de point de service rentables, évolutifs et reproductibles pour améliorer la santé mondiale, en particulier dans les pays. avec des moyens de santé limités.
Continuer la lecture : Le transistor graphène conçu pour le diagnostic
Références et lectures complémentaires
Sengupta, Joydip et coll. (2021). Dispositifs de laboratoire sur puce analytiques à base de graphène pour la détection de virus : un examen. Tendances carbone. Disponible sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667056921000493
Graphéal. (2022) Test covid numérique TestNPass. Disponible sur https://www.grapheal.com/testnpass
Cardea Bio (2022) Qu’est-ce que le BPU et comment il va changer le monde. Disponible sur https://www.cardeabio.com/our-vision
Graphène intégré (2022) Services Lab on a Chip. Disponible sur https://www.integratedgraphene.com/loc-technologies
OMS (2022) VIH [Online] Disponible à: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/hiv-aids