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Les dispositifs microfluidiques sont devenus essentiels pour contrôler les concentrations et les environnements chimiques dans les tests cellulaires, les études sur le stress osmotique et les expériences d’administration pharmaceutique en recherche biomédicale, en cryobiologie et d’autres applicationsdiagnostiques 1,2. Ces dispositifs permettent un contrôle précis du débit et de la concentration des fluides à l’échelle micrométrique. Par exemple, des dispositifs microfluidiques ont été utilisés pour l’ajout et le retrait d’agents cryoprotecteurs lors de la cryoconservation des cellules afin de prévenir les dommages osmotiques3. De même, ces dispositifs microfluidiques sont également utilisés pour établir des dilutions en série d’antibiotiques afin de tester la susceptibilité antimicrobienne contre les organismesrésistants 4. Cela permet d’identifier les combinaisons optimales de médicaments pour traiter les infections antimicrobiennes résistantes (RAM). De plus, elle permet l’imagerie et la surveillance des cellules vivantes, réduit la consommation de réactifs et facilite la précision des gradients de concentration, contrairement aux techniques macroscopiques telles que la chambre de Boyden, qui fournissent des gradients plus grossiers et statiques sans surveillance cellulaire entemps réel 1,5. Ces capacités permettent d’imiter des environnements chimiques in vivo in vitro pour des études à haute résolution du comportement cellulaire, de la migration cellulaire, des essais d’invasion cellulaire, de la réponse aux médicaments et des tests de toxicité.
Malgré les avantages des dispositifs microfluidiques, les techniques traditionnelles de microfabrication pour ces dispositifs (par exemple, la photolithographie et le moulage du polydiméthylsiloxane (PDMS)) sont souvent chronophages, coûteuses et nécessitent un équipement spécialiséet une expertise 6. Par conséquent, créer un nouvel appareil par lithographie douce peut prendre plusieurs jours de travail, et les modifications itératives de conception sont égalementlaborieuses 6. Récemment, l’impression 3D est devenue une alternative rapide au prototypage pour surmonter ces limites. Cependant, l’adoption précoce de la microfluidique imprimée en 3D a été limitée par le coût des imprimantes haute résolution (souvent ≥ 10 000 $), et les unités peu coûteuses n’offrent pas une résolutionsuffisante 7. L’amélioration de la stéréolithographie à faible coût basée sur des LCD a considérablement fait progresser ce domaine, car les imprimantes grand public (souvent ~150-500 $) offrent désormais une résolution microéchelle (~20-50 μm), suffisante pour de nombreuses applicationsmicrofluidiques 5. Compte tenu de ces avancées, l’objectif global de notre travail était d’établir un flux de travail rentable et efficace pour des dispositifs microfluidiques entièrement imprimés en 3D capables de générer des gradients de concentration contrôlés sans les barrières typiques de complexitéde fabrication 8. Nous avons visé à développer une méthode rapide et fiable pour produire des systèmes de modèles microfluidiques personnalisés en utilisant une imprimante LCD 3D grand public et une résine biocompatible, rendant la console accessible à un large éventail de laboratoires.
Ici, nous présentons un dispositif microfluidique imprimé en 3D capable de mélanger des solutions, de générer des gradients de concentration continus et programmables, et de former des combinaisons de solutions et des gradients de concentration programmables. L’appareil est fabriqué par stéréolithographie de bureau et assemblé intégralement, utilisant un design à canal ouvert entièrement scellé par un film adhésif transparent induit par la résine qui est un défi largement rapporté en stéréolithographiemicrofluidique 9,10 ; Cependant, cette approche développe un dispositif microfluidique robuste et étanche sans nécessiter d’équipement spécialisé de traitement ou de collage de surface, et permet de résoudre le problème courant de la résine non durcie obstruant les petits canaux lors del’impression 11. De plus, en utilisant des résines peu coûteuses et polyvalentes aux UV, chaque appareil peut être rapidement produit pour seulement quelques dollars en matériaux. Un autre avantage est que sa conception n’est pas fixe ; Il peut être facilement modifié et réimprimé, contrairement aux appareils commerciaux qui coûtent des centaines de dollars chacun et ne peuvent pas êtrepersonnalisés 12, 13, 14.
Pour contrôler la concentration de la solution, l’appareil imprimé en 3D était intégré à deux pompes à seringues (une pour chaque solution d’entrée) contrôlées par un script Python open source, comme décrit précédemment pour les applicationsmicrofluidiques 15. Cela permet une régulation précise des débits, des dégradés de gradient et du timing de manière automatisée. 15 débits dans notre système varient généralement de quelques microlitres à 30 μl/min par entrée, dans lequel un mélange uniforme a été maintenu de manière constante, tout en maintenant une contrainte de cisaillement minimale. Grâce à ce système, nous avons généré des profils de concentration linéaires allant d’une période approximativement iso-osmotique (~300 mOsm/kg) à des conditions hyperosmotiques extrêmes (~9 000 mOsm/kg), puis revenant à des périodes isotoniques, sur des intervalles de temps définis. Les relevés continus de l’osmomètre ont confirmé que les gradients générés étaient linéaires et précis, et un simple test colorimétrique a confirmé un mélange efficace des solutions d’entrée. Ces résultats valident que des gradients de concentration complexes et variables dans le temps peuvent être réalisés de manière reproductible avec notre plateforme entièrement imprimée en 3D, soulignant son potentiel à améliorer le débit et la standardisation des études d’exposition osmotique à une fraction du coût habituel.
Cette plateforme microfluidique imprimée en 3D illustre les avancées récentes vers des solutions « lab-on-a-chip » qui offrent une résolution suffisante pour de nombreuses applications microfluidiques cellulaires 16,17. De plus, les experts prévoient que la fabrication additive devrait devenir une méthode de premier plan pour la fabrication de microdispositifs à mesure que les avancées en technologie et matériaux d’imprimantese poursuivent 6. Un avantage clé de notre approche est que l’accessibilité ne se fait pas au détriment de la performance. Conformément à des études antérieures démontrant des stratégies de fabrication microfluidique à faiblecoût 18,19, ces imprimantes abordables produisent des caractéristiques d’appareils comparables à de nombreux systèmes industriels commerciaux en termes de fiabilité etde précision. Les chercheurs peuvent ainsi adopter cette méthode en ayant confiance qu’elle répondra aux exigences de précision de la plupart des applications. Cette plateforme peut être adaptée à une variété de besoins, allant de l’automatisation de l’ajout/retrait de cryoprotecteurs en plusieurs étapes, au dépistage des réponses aux médicaments dans différentes plages de concentration, en passant par la modulation chimique précise dans les modèles organe surpuce 16. En particulier, les dimensions de résolution imprimée (autour de 100 μm pour les dimensions du canal) sont suffisantes pour de nombreux essaisbiologiques 16, offrant une bonne plage pour les échelles typiques de longueur de cellules ou de particules. En résumé, en réduisant significativement le temps de fabrication, le coût et les besoins en expertise, cette plateforme microfluidique entièrement imprimée en 3D permet aux chercheurs de prototyper et de mettre en œuvre efficacement des solutions microfluidiques personnalisées. Bien que des étapes manuelles de post-traitement comme le polissage de surface et le scellement du ruban adhésif restent nécessaires, le flux de travail global reste accessible et gagne en temps par rapport aux méthodes de microfabrication conventionnelles.