Impact des tests sur la conception microfluidique : Conception fluidique

Manipulation et mesure des fluides des dispositifs microfluidiques

Tous les dispositifs microfluidiques, sauf les plus simples, font partie d’un système qui comprend le dispositif, une station de base et des réactifs. La station de base comprend généralement des dispositifs de serrage/d’alignement, des capteurs et des interfaces fluidiques, qu’il s’agisse de détection, de pompage ou d’actionnement, y compris les vannes, qui régulent le flux des échantillons et des réactifs.

Le dispositif lui-même doit répondre à de nombreuses demandes simultanément. Il doit être capable d’accepter l’échantillon à analyser, et il doit parfois prélever une partie aliquote mesurée avec précision à partir d’un échantillon non mesuré. En supprimant la nécessité pour l’utilisateur de mesurer la partie aliquote avec précision et en automatisant cette étape, cela permet de réduire le niveau d’expertise et de formation requis par l’utilisateur. Cette simplification augmente à son tour la probabilité que le système soit admissible à une dérogation CLIA (Clinical Laboratory Improvement Act), ce qui élargit considérablement le marché potentiel du système.

Il est intéressant du point de vue économique d’équiper la station de base avec des éléments coûteux contrôlés par ordinateur afin d’amortir ces coûts sur de nombreux dispositifs. Cela permet de maintenir le coût du dispositif consommable aussi bas que possible. Lorsque les volumes de réactifs sont importants, les réactifs courants tels que les tampons de test, les tampons de lavage et les diluants peuvent être stockés sur la station de base pour être utilisés par le dispositif. Cela libère de l’espace sur le dispositif et peut simplifier sa conception.

Déplacement des fluides dans les dispositifs microfluidiques

Un système microfluidique doit avoir la capacité de déplacer des fluides (y compris l’échantillon) dans le dispositif. Dans le système le plus élémentaire, cela peut se faire par capillarité et flux « passif ». Cependant, la plupart des systèmes disposent d’une sorte de pompe. Les pompes à air étaient utilisées pour pousser les fluides à travers les dispositifs, mais une alternative courante consiste à utiliser une pompe péristaltique embarquée pour déplacer les fluides (tels que les tampons de test). La microfluidique numérique utilise des « commutateurs » électroniques pour modifier la tension superficielle ou les propriétés magnétiques d’une région au sein d’une grille définie ; en allumant et en éteignant les commutateurs voisins, les fluides peuvent être déplacés au besoin.

Caractéristiques de manipulation des fluides des dispositifs microfluidiques

Chambres
Les chambres sont des caractéristiques de cartouche qui ont des conceptions particulières essentielles à l’étape spécifique du processus de test. Cela pourrait inclure le mélange, l’aliquote, l’extraction/la lyse, l’amplification, la détection, le stockage de réactifs séchés, etc. Ces conceptions dépendent de nombreux facteurs tels que les propriétés des fluides, les paramètres de processus et les spécifications de performance. Ainsi, il existe de nombreuses façons de résoudre le même problème de processus de test.

Par exemple, plusieurs hormones sont étroitement liées à leurs protéines porteuses dans le sérum ou le plasma, et des agents chimiques spécifiques sont nécessaires pour libérer ces analytes afin qu’ils puissent être mesurés. Étant donné que les agents de séparation varient d’une hormone à l’autre, il est logique de les mettre sur des dispositifs individuels. Des chambres sont créées sur le dispositif pour contenir ces réactifs. Certains sont sous forme liquide, mais une pastille lyophilisée de réactif peut également être placée dans la chambre pour une reconstitution ultérieure.

Stockage des réactifs liquides
Les conteneurs de stockage de réactifs liquides ont leurs propres exigences en raison de la perte d’eau potentielle. Les réactifs liquides sont souvent placés dans des conteneurs (plaquettes thermoformées ou plastique à couvercle) soudés au dispositif. Les plaquettes thermoformées sont hautement souhaitables en raison de leur durée de conservation et des exigences de variabilité de concentration, et certains plastiques thermoformés ont de grandes propriétés de barrière à la vapeur d’eau.

Canaux
Les fluides se déplacent généralement à travers le dispositif microfluidique entre les chambres et les conteneurs de stockage via des canaux. Les tailles de canal doivent être soigneusement conçues pour rendre le dispositif fonctionnel. Les canaux trop petits créeront une contre-pression qui nécessitera des pompes plus grandes et plus coûteuses. Ces pompes peuvent compromettre l’intégrité des joints du dispositif. Si les canaux sont trop grands, des vides et des bulles peuvent se former et interférer avec les réactions analytiques et les lectures de signaux.

La taille de l’échantillon nécessaire à l’analyse est un bon point de départ pour déterminer la taille du canal. Certains analytes à faible concentration peuvent nécessiter des échantillons analytiques de 100 uL ou plus. Ajoutez les autres réactifs dans la réaction, et le résultat correspond à la taille de la boule de liquide qui doit être manipulée. Les volumes peuvent être convertis en longueur, largeur et hauteur avec une géométrie simple.

Pour que les liquides s’écoulent, les canaux et les chambres (voir ci-dessous) doivent être couverts. Pour cela, un film de recouvrement doit être ajouté sur le dessus du dispositif après l’ajout des réactifs embarqués. Parfois, le film est scellé à au dispositif avec un adhésif, mais le soudage par ultrasons, le soudage laser ou le collage thermique sont également couramment utilisés.

Vannes
L’un des avantages réels des dispositifs microfluidiques est la possibilité de contrôler le flux de liquides avec des vannes. Les vannes permettent de diriger les flux de réactifs où et quand ils sont nécessaires.

Par exemple, considérons un dispositif microfluidique qui utilise un immuno-essai pour mesurer la troponine (marqueur de crise cardiaque) et utilise la chimiluminescence incandescente comme chimie de lecture. L’échantillon de sang total est ajouté au dispositif, le plasma est filtré et pompé sur l’anticorps de capture qui a été immobilisé dans le dispositif pendant la fabrication. Le lavage de l’analyte capturé permet d’améliorer la sensibilité en continuant à pomper l’essai ou à laver le tampon au-delà de la zone de capture. Au moment opportun, les vannes s’actionnent pour connecter une chambre précédemment fermée contenant le réactif de détection. Le flux reprend et transporte le réactif de détection vers l’analyte capturé, et le réactif de détection n’ayant pas réagi est éliminé, ce qui minimise le bruit de fond et améliore la sensibilité.

La seule façon d’obtenir cette séquence de réactions est de contrôler soigneusement les flux des différents réactifs. Si tous les réactifs étaient mélangés sans séquençage, le résultat serait une énorme quantité de lumière générée indépendamment de la quantité de troponine dans l’échantillon, sans différenciation entre les patients ayant des crises cardiaques et les patients en bonne santé souffrant d’indigestion.

Il existe plusieurs types de vannes qui peuvent être utilisées dans les dispositifs microfluidiques. Le type exact de vanne le mieux adapté à une application particulière doit être discuté avec des professionnels expérimentés.

Propriétés optiques
Si la lecture est basée sur la lumière, le dispositif doit répondre à ses propriétés optiques. Cela signifie que le matériau doit respecter la transparence de longueur d’onde pour les méthodes nécessaires. La fluorescence et la chimiluminescence sont deux chimies de détection courantes utilisées dans les dispositifs microfluidiques.

Pour que la fluorescence ou la chimiluminescence fonctionnent correctement, les trajets de la lumière doivent être contrôlés. Si les propriétés optiques diffèrent d’un dispositif à l’autre, il sera presque impossible de dire si un signal altéré est dû à des variations de la concentration de l’analyte ou simplement à une perte de lumière.

Stockage des déchets fluides
Enfin, on trouve l’exigence de stockage intégré des déchets pour tous les réactifs en cours de processus. Étant donné que les échantillons humains comportent toujours un risque de contamination par des agents pathogènes, ces déchets doivent être séquestrés et confinés pour une élimination appropriée. La meilleure façon de le faire est de conserver tous les fluides qui ont rencontré l’échantillon potentiellement infectieux entièrement dans le dispositif, qui est ensuite éliminé par l’utilisateur. Pour une protection supplémentaire, une éponge résorbable ou une chambre scellée peut être le meilleur moyen de s’assurer que rien ne s’échappe.

Conclusion

À présent, il devrait être clair que la construction d’un dispositif microfluidique est un travail d’équipe. Une implication est nécessaire du point de vue du réactif, des experts en conception de dispositifs, du fabricant du dispositif, des ingénieurs de la station de base et de l’équipe logicielle pour fabriquer un dispositif manufacturable.

Si votre organisation possède déjà une telle équipe, elle peut tout de même bénéficier de discussions avec nous. Les discussions entre groupes de professionnels expérimentés aboutissent souvent à des échanges d’idées et à de meilleurs résultats. Si votre organisation ne dispose pas d’une telle équipe, nous sommes un excellent point de départ.