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La microfluidique permet le contrôle des fluides à petite échelle, avec des volumes allant de microlitres (1 x 10-6 L) à picoliters (1 x 10-12 L). Ce contrôle a été rendu possible en partie grâce à l'application de techniques de microfabrication empruntées à l'industrie des microprocesseurs1. L'utilisation de micro-réseaux de canaux et de chambres permet à l'utilisateur de profiter des phénomènes physiques distincts caractéristiques des petites dimensions. Par exemple, à l'échelle du micromètre, les fluides peuvent être manipulés à l'aide d'écoulement laminaire, où les forces visqueuses dominent les forces inertielles. En conséquence, le transport diffusif devient la caractéristique principale de la microfluidique, et peut être étudié quantitativement et expérimentalement. Ces systèmes peuvent être correctement compris en utilisant les lois de Fick, la théorie du mouvement Brownian, l'équation de la chaleur, et / ou les équations Navier-Stokes, qui sont des dérivés importants dans les domaines de la mécanique des fluides et des phénomènes de transport2.
Étant donné que de nombreux groupes des sciences biologiques étudient des systèmes complexes au niveau microscopique, on pensait à l'origine que les dispositifs microfluidiques auraient un impact immédiat et significatif sur les applications de recherche en biologie2,3. Cela est dû au fait que la diffusion est dominante dans le transport de petites molécules à travers les membranes ou à l'intérieur d'une cellule, et que les dimensions des cellules et des micro-organismes correspondent parfaitement aux systèmes et dispositifs de sous-millimètres. Par conséquent, il y avait un potentiel important pour améliorer la façon dont l'expérimentation cellulaire et moléculaire est menée. Cependant, l'adoption massive de technologies microfluidiques par les biologistes a pris du retard par rapport aux attentes4. L'absence de transfert de technologie peut être une raison simple pour laquelle il n'y a pas de transfert de technologie. La conception et la fabrication d'appareils personnalisés sont restées juste en dehors des capacités de la plupart des groupes de recherche biologique, ce qui les rend dépendants de l'expertise et des installations externes. Le manque de familiarité avec les applications potentielles, le coût et le temps requis pour la conception-itération sont également des obstacles importants pour les nouveaux adoptants. Il est probable que ces obstacles ont eu pour effet de perturber l'innovation et d'empêcher l'application généralisée de la microfluidique pour relever les défis dans les sciences biologiques.
Un exemple : depuis la fin des années 1990, la photolithographie douce est la méthode de choix pour la fabrication d'appareils microfluidiques. Le PDMS (polydimethylsiloxane, un polymère organique à base de silicone) est un matériau largement utilisé en raison de ses propriétés physiques, telles que la transparence, la déformation et la biocompatibilité5. La technique a connu un grand succès, avec lab-on-a-chip et organ-on-a-chip dispositifs continuellement en cours de développement sur cette plate-forme6. La plupart des groupes travaillant sur ces technologies, cependant, se trouvent dans les départements d'ingénierie ou ont des liens étroits avec eux4. La lithographie nécessite généralement des salles blanches pour la fabrication de moules et d'équipements de collage spécialisés. Pour de nombreux groupes, cela rend les périphériques PDMS standard moins qu'idéal en raison de leurs coûts d'investissement et de temps de plomb, en particulier lorsqu'il est nécessaire d'apporter des modifications de conception répétées. En outre, la technologie est pour la plupart inaccessible au biologiste moyen et aux étudiants qui n'ont pas accès à des laboratoires d'ingénierie spécialisés. Il a été proposé que pour que les dispositifs microfluidiques soient largement adoptés, ils doivent imiter certaines des qualités des matériaux couramment utilisés par les biologistes. Par exemple, le polystyrène utilisé pour la culture cellulaire et les bioessais est peu coûteux, jetable et propice à la production de masse. En revanche, la fabrication industrielle de microfluidiques à base de PDMS n'a jamais été réalisée en raison de sa douceur mécanique, de l'instabilité du traitement de surface et de la perméabilité des gaz5. En raison de ces limitations, et dans le but de résoudre les défis techniques à l'aide d'appareils personnalisés construits "en interne", nous décrivons une méthode alternative qui utilise la xurographie7,8,9 protocoles et laminage thermique. Cette méthode peut être adoptée avec peu de capital et d'investissement en temps.
Les PETL sont fabriqués à l'aide de film de polyéthylène téréphtalate (PET), recouvert de l'acétate thermoadhésif-vinyle (EVA). Les deux matériaux sont largement utilisés dans les produits de consommation, sont biocompatibles et sont facilement disponibles à un coût minimal10. Le film PET/EVA peut être obtenu sous forme de sachets ou de rouleaux laminants. À l'aide d'un coupe-artisanat contrôlé par ordinateur que l'on trouve couramment dans les magasins d'amateurs ou d'artisanat, les canaux sont découpés dans une seule feuille de film pour définir l'architecture de l'appareil11. Les canaux sont ensuite scellés en appliquant des couches supplémentaires de film (ou de verre) qui sont collées à l'aide d'un laminateur thermique(bureau)( Figure 1A). Des pare-chocs en vinyle perforés et autoadhésifs sont ajoutés pour faciliter l'accès aux canaux. Les temps de fabrication varient de 5 à 15 min, ce qui permet une itération rapide de la conception. Tous les équipements et matériaux utilisés pour fabriquer les PETL sont commercialement accessibles et abordables (coût de départ de 350 USD, contre des milliers d'USD pour la lithographie). Par conséquent, les PETL constituent une solution novatrice à deux problèmes principaux posés par la microfluidique conventionnelle : l'abordabilité et l'efficacité du temps (voir la comparaison PDMS/PETL dans les tableaux complémentaires 1, 2).
En plus de donner aux chercheurs la possibilité de concevoir et de fabriquer leurs propres appareils, les PETL peuvent être facilement adoptés en classe parce qu'ils sont simples et intuitifs à utiliser. Les PETLpeuvent peuvent être inclus dans les programmes d'études secondaires et collégiales8, où ils sont utilisés pour aider les élèves à mieux comprendre les concepts physiques, chimiques et biologiques, comme la diffusion, le flux laminaire, le micromélange, la synthèse des nanoparticules, la formation de gradients et la chimiotaxie.
Dans ce travail, nous illustrons le flux de travail global pour la fabrication de puces PETLs modèle avec différents niveaux de complexité. Le premier dispositif est utilisé pour faciliter l'imagerie des cellules et des micro-organes dans une petite chambre. Le deuxième dispositif, plus complexe se compose de plusieurs couches et matériaux, et est utilisé pour la recherche en mécanobiologie9. Enfin, nous avons construit un dispositif qui affiche plusieurs concepts de dynamique des fluides (mise au point hydrodynamique, flux laminaire, transport diffusif et micromixage) à des fins éducatives. Le flux de travail et les conceptions d'appareils présentés ici peuvent être facilement adaptés à un large éventail de fins dans les milieux de recherche et de classe.