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Bio-MEMS est une abréviation pour les systèmes microélectromécaniques biomédicaux (ou biologiques). Les Bio-MEMS ont un chevauchement considérable, et sont parfois considérés comme synonymes, avec les Laboratoire sur puce (LOC) et les systèmes de microanalyse totale (μTAS). Les bio-MEMS sont généralement plus axés sur les pièces mécaniques et les technologies de microfabrication adaptées aux applications biologiques. D'autre part, le laboratoire sur puce s'intéresse à la miniaturisation et à l'intégration des processus et des expériences de laboratoire dans des puces uniques (souvent microfluidiques).[1] Dans cette définition, les dispositifs de laboratoire sur puce n'ont pas strictement d'applications biologiques, bien que la plupart en aient ou puissent être adaptés à des fins biologiques. De même, les systèmes de microanalyse totale n'ont pas forcément d'applications biologiques en vue, et sont généralement dédiés à l'analyse chimique. Une définition large des bio-MEMS peut être utilisée pour désigner la science et la technologie du fonctionnement à l'échelle microscopique pour des applications biologiques et biomédicales, qui peuvent inclure ou non des fonctions électroniques ou mécaniques. La nature interdisciplinaire de la bio-MEMS combine les sciences des matériaux, les sciences cliniques, la médecine, la chirurgie, le génie électrique, le génie mécanique, le génie optique, le génie chimique et le génie biomédical. Parmi ses principales applications figurent la génomique, la protéomique, le diagnostic moléculaire, le diagnostic au point de service, l'ingénierie tissulaire, l'analyse de cellules uniques et les microdispositifs implantables.
Historique[modifier | modifier le code]
En 1967, S. B. Carter a signalé l'utilisation d'îlots de palladium évaporés à l'ombre pour la fixation des cellules. Après cette première étude sur les bio-MEMS, le développement ultérieur dans ce domaine a été lent pendant environ 20 ans.[2] En 1985, Unipath Inc. a commercialisé ClearBlue, un test de grossesse encore utilisé aujourd'hui qui peut être considéré comme le premier dispositif microfluidique contenant du papier et le premier produit microfluidique commercialisé. En 1990, Andreas Manz et H. Michael Widmer de Ciba-Geigy (aujourd'hui Novartis), en Suisse, ont été les premiers à inventer le terme de système d'analyse totale micro (μTAS) dans leur article fondateur proposant l'utilisation de systèmes d'analyse chimique totale miniaturisés pour la détection chimique. Trois facteurs majeurs ont motivé le concept de μTAS. Premièrement, la découverte de médicaments au cours des dernières décennies jusqu'aux années 1990 avait été limitée en raison du temps et du coût nécessaires pour effectuer de nombreuses analyses chromatographiques en parallèle sur des équipements macroscopiques. Deuxièmement, le projet du génome humain (HGP), qui a débuté en octobre 1990, a créé une demande d'amélioration de la capacité de séquençage de l'ADN. L'électrophorèse capillaire est donc devenue un point de mire pour la séparation chimique et de l'ADN. Troisièmement, la DARPA du ministère américain de la défense a soutenu une série de programmes de recherche microfluidique dans les années 1990 après avoir réalisé qu'il était nécessaire de développer des microsystèmes déployables sur le terrain pour la détection d'agents chimiques et biologiques qui constituaient des menaces militaires et terroristes potentielles. Les chercheurs ont commencé à utiliser des équipements de photolithographie pour la microfabrication de systèmes microélectromécaniques (MEMS), hérités de l'industrie de la microélectronique. À l'époque, l'application des MEMS à la biologie était limitée car cette technologie était optimisée pour les tranches de silicium ou de verre et utilisait des photorésists à base de solvants qui n'étaient pas compatibles avec le matériel biologique. En 1993, George M. Whitesides, un chimiste de Harvard, a introduit la microfabrication bon marché à base de PDMS, ce qui a révolutionné le domaine des bio-MEMS. Depuis lors, le domaine des bio-MEMS a explosé. Parmi les principales réalisations techniques du développement des bio-MEMS dans les années 1990, on peut citer les suivantes :
- En 1991, la première puce à oligonucléotides a été développée.
- En 1998, les premières micro-aiguilles solides ont été développées pour l'administration de médicaments.
- En 1998, la première puce de réaction en chaîne par polymérase à flux continu a été mise au point.
- En 1999, la première démonstration de flux laminaires hétérogènes pour le traitement sélectif des cellules dans les microcanaux.
Aujourd'hui, les hydrogels tels que l'agarose, les photoréserves biocompatibles et l'auto-assemblage sont des domaines de recherche clés pour améliorer les bio-MEMS en remplacement ou en complément du PDMS.
Approches[modifier | modifier le code]
Matériaux[modifier | modifier le code]
Silicium et verre[modifier | modifier le code]
Les techniques conventionnelles de micro-usinage telles que la gravure humide, la gravure sèche, la gravure profonde par ions réactifs, la pulvérisation cathodique, le collage anodique et le collage par fusion ont été utilisées dans les bio-MEMS pour fabriquer des canaux d'écoulement, des capteurs de débit, des détecteurs chimiques, des capillaires de séparation, des mélangeurs, des filtres, des pompes et des valves. Cependant, l'utilisation de dispositifs à base de silicium dans les applications biomédicales présente certains inconvénients, tels que leur coût élevé et leur bio-incompatibilité. En raison de leur caractère à usage unique, de leur taille supérieure à celle de leurs homologues MEMS et de la nécessité de disposer de salles blanches, les coûts élevés des matériaux et du traitement rendent les bio-MEMS à base de silicium moins attrayants sur le plan économique. In vivo", les bio-MEMS à base de silicium peuvent être facilement fonctionnalisés pour minimiser l'adsorption des protéines, mais la fragilité du silicium reste un problème majeur.
Plastiques et polymères[modifier | modifier le code]
L'utilisation de plastiques et de polymères dans les bio-MEMS est intéressante car ils sont faciles à fabriquer, compatibles avec le micro-usinage et les méthodes de prototypage rapide, et leur coût est faible. De nombreux polymères sont également optiquement transparents et peuvent être intégrés dans des systèmes qui utilisent des techniques de détection optique telles que la fluorescence, l'absorbance UV/Vis ou la méthode Raman. En outre, de nombreux polymères sont biologiquement compatibles, chimiquement inertes aux solvants et électriquement isolants pour les applications où des champs électriques puissants sont nécessaires, comme la séparation électrophorétique. La chimie de surface des polymères peut également être modifiée pour des applications spécifiques. Plus précisément, la surface des PDMS peut être irradiée par des éléments tels que le magnésium, le tantale et le fer afin de réduire l'hydrophobie de la surface, ce qui permet une meilleure adhésion des cellules dans les applications "in vivo". Les polymères les plus courants utilisés dans les bio-MEMS sont le PMMA, le PDMS, l'OSTEmer et le SU-8.
Matériaux biologiques[modifier | modifier le code]
- A) Micropatterning de fibronectine sur une surface de verre PNIPAM.
- B) & C) Des fibroblastes uniques sont contraints spatialement à la géométrie du micropattern de fibronectine.
- La manipulation et le modelage à l'échelle microscopique de matériaux biologiques tels que les protéines, les cellules et les tissus ont été utilisés pour le développement de réseaux cellulaires, de microréseaux, d'ingénierie tissulaire basée sur la microfabrication et d'organes artificiels. * Le micro-modelage biologique peut être utilisé pour l'analyse à haut débit de cellules uniques, le contrôle précis du micro-environnement cellulaire, ainsi que l'intégration contrôlée de cellules dans des architectures multi-cellulaires appropriées pour reproduire les conditions in vivo. La photolithographie, l'impression par microcontact, la distribution sélective par microfluidique et les monocouches auto-assemblées sont quelques-unes des méthodes utilisées pour modeler des molécules biologiques sur des surfaces. Le micro-modelage des cellules peut se faire par microcontact des protéines de la matrice extracellulaire, par électrophorèse cellulaire, par réseaux de pinces optiques, par diélectrophorèse et par des surfaces électrochimiquement actives.
Papier[modifier | modifier le code]
La microfluidique du papier (parfois appelée laboratoire sur papier) est l'utilisation de substrats en papier dans la microfabrication pour manipuler l'écoulement des fluides pour différentes applications. La microfluidique sur papier a été appliquée à l'électrophorèse sur papier et aux immunoessais, le plus notable étant le test de grossesse commercialisé, ClearBlue. Les avantages de l'utilisation du papier pour la microfluidique et l'électrophorèse dans les bio-MEMS sont son faible coût, sa biodégradabilité et son effet de mèche naturel. Un inconvénient majeur de la microfluidique à base de papier est la dépendance du taux d'effet de mèche aux conditions environnementales telles que la température et l'humidité relative. Les dispositifs d'analyse à base de papier sont particulièrement intéressants pour les diagnostics au point de service dans les pays en développement, en raison du faible coût du matériel et de l'importance des tests colorimétriques qui permettent aux professionnels de la santé d'interpréter facilement les résultats à l'œil nu. Par rapport aux canaux microfluidiques traditionnels, les microcanaux en papier sont accessibles pour l'introduction d'échantillons (en particulier les échantillons de type médico-légal tels que les fluides corporels et la terre), ainsi que ses propriétés filtrantes naturelles qui excluent les débris cellulaires, la saleté et les autres impuretés des échantillons. Les répliques à base de papier ont démontré la même efficacité dans l'exécution d'opérations microfluidiques courantes telles que la focalisation hydrodynamique, l'extraction moléculaire en fonction de la taille, le micromélange et la dilution ; les microplaques à 96 et 384 puits courantes pour la manipulation et l'analyse automatisées des liquides ont été reproduites par photolithographie sur du papier afin d'obtenir un profil plus mince et un coût de matériau inférieur tout en maintenant la compatibilité avec les lecteurs de microplaques conventionnels. Les techniques de micro-modélisation du papier comprennent la photolithographie, la découpe laser, l'impression à jet d'encre, le traitement au plasma et le modelage à la cire.
Voir aussi[modifier | modifier le code]
Références[modifier | modifier le code]
- (en) Steven S. Saliterman, Fundamentals of bio-MEMS and medical microdevices, Bellingham, Wash., USA, SPIE—The International Society for Optical Engineering, (ISBN 0-8194-5977-1)
- (en) Albert Folch, Introduction to bio-MEMS, Boca Raton, CRC Press, (ISBN 978-1-4398-1839-8)
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