Synonyme d'innovation médicale, la technologie de micro-usinage laser de Femtoprint a permis aux chercheurs de l'université polytechnique de Turin de développer un résonateur à microcanaux suspendus en verre. Ce dispositif de mesure est particulièrement prometteur pour le diagnostic médical, notamment dans la lutte contre le cancer.

Depuis une dizaine d’années, la recherche biologique et chimique s'oriente vers une analyse moléculaire rapide et hautement sensible. Parmi les pistes les plus prometteuses figurent les résonateurs nano- et micromécaniques. Ces composants minuscules permettent en effet d’effectuer, en temps réel, des mesures de masse descendant jusqu'à une seule biomolécule grâce à une résolution extrêmement élevée. L’approche la plus attrayante consiste à réaliser un canal microfluidique à l'intérieur d'un cantilever (poutre fixée à l’une de ses extrémités) qui vibre sous vide. Il s’agit de nouveaux capteurs appelés résonateurs à microcanaux suspendus (SMR pour Suspended Microchannel Resonators) qui permettent de mesurer avec une extrême précision la densité, la masse volumique ou encore la viscosité des fluides. Il est en effet possible d’intégrer ces résonateurs dans des dispositifs microfluidiques de laboratoires sur puce (lab-on-chip) pour l'analyse clinique, avec la possibilité de mesures multiplexées en "flux continu".

En plus des informations relatives à la masse, l'analyse simultanée de plusieurs fréquences de résonance permet de déterminer à la fois la position et la vitesse des analytes cibles. Il est ainsi possible de discriminer précocement les cellules tumorales circulantes des cellules sanguines, en évaluant les différences de déformabilité entre les deux.

La diffusion généralisée de ce type de dispositif de détection s'est heurtée jusqu'ici aux limites des techniques de microfabrication : lenteur, complexité et coût élevé. Mais les avancées récentes du micro-usinage par laser ont changé la donne. Elles permettent désormais la fabrication de micro-dispositifs tridimensionnels en verre avec la capacité de coupler des caractéristiques structurelles avec des fonctionnalités optiques et mécaniques.

Des micro-dispositifs obtenus par micro-impression 3D de verre

C'est ainsi que le département de la technologie et des sciences appliquées de l'Université polytechnique de Turin a développé un SMR transparent en verre en utilisant la technologie de micro-usinage 3D laser du fabricant suisse Femtoprint.

Divers essais ont été effectués en faisant varier la longueur (250 à 1000 μm) et la largeur (50-75 μm) de la poutre du SMR, ainsi que les dimensions du canal interne (10-30-55 μm). Il a été ainsi possible de prototyper rapidement un résonateur monolithique, sans contrainte résiduelle (inconvénient typique des processus multi-étapes susceptible de compromettre les performances mécaniques du SMR). Les propriétés de résonance du SMR obtenu ont pu être caractérisées avec précision en termes de fréquence, de facteur de qualité et d’écart-type d'Allan, afin d'évaluer les sensibilités du capteur pour la mesure de masse (222 Hz/ng) et de densité (47 Hz/(kg/m3), ainsi que la masse minimale détectable (5 pg). Au final, le SMR en verre a pu analyser des liquides de densités massiques différentes, avec une résolution de densité de 1,04x10−3kg/m3. Une performance comparable aux meilleurs SMR à base de silicium et bien supérieure aux résonateurs en verre micro-capillaires du marché, tant pour ce qui est du temps de réalisation que des coûts.

L’impact de ce nouveau type de SMR en verre peut être significatif dans le domaine du diagnostic biomédical. Son efficacité de détection a été démontrée en évaluant la charge microbienne dans des solutions aqueuses contenant différentes concentrations de P. fluorescens. Il s'agit d'une bactérie comparable à P.aeruginosa, souvent responsable de la résistance à de multiples médicaments dans le traitement des infections nosocomiales. Il a aussi été possible de distinguer de façon fiable les différentes dilutions d'échantillon, avec une répétabilité élevée. La limite de détection associée à cette méthode d'analyse s'est établie à environ 60 pg, ce qui signifie une capacité de détection de la présence d'une centaine de bactéries.

Applications dans le diagnostic

Autre atout du SMR en verre, il peut être utilisé pour la surveillance en temps réel des bactéries. La transparence permet en effet d’observer le canal sous un microscope, autorisant une nouvelle méthodologie d'analyses optique et microgravimétrique intégrées de la croissance cellulaire ou des mouvements de particules.

L’objectif du projet est désormais d’améliorer la résolution du résonateur en verre pour ouvrir la voie à de nouvelles applications biologiques essentielles, comme la surveillance de la croissance, la survie et la division des cellules. On peut aussi envisager d'observer la réponse des cellules à des stimuli externes. Cela devrait permettre d’évaluer les réponses à des traitements médicamenteux, de dépister précocement des pathologies affectant la plasticité des cellules, comme le cancer, et aussi d’en savoir davantage sur la composition biomoléculaire des cellules (ARN, ADN, protéines).

Une kyrielle d'applications médicales pour la technologie Femtoprint
Vainqueur du grand prix des exposants du salon EPHJ en 2019, Femtoprint est une société suisse certifiée ISO 13485 spécialisée dans l'usinage 3D par laser femtoseconde. Sa technologie permet de réaliser, sans masque et hors salle propre, des micro-dispositifs en verre capables d’intégrer des fonctionnalités fluidiques, mécaniques, électriques et optiques de façon monolithique. Les applications médicales s'étendent des laboratoires et organes sur puces à l'administration de médicaments, en passant par les échafaudages 3D pour la culture cellulaire, les réseaux de micro-électrodes 3D, les matrices de micro-lentilles, les membranes et mélangeurs micro-pores, l'encapsulation verre à verre sans adhésif, la détection et les MEMS...

[Source des illustrations : Femtoprint]

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