Voici trois motifs produits par microfluidique multipolaire. La première colonne représente les images expérimentales ; la deuxième montre les modèles théoriques permettant de les prédire. Les troisième et quatrième colonnes illustrent une superposition et une comparaison côte à côte entre les données expérimentales et théoriques, illustrant la très grande précision des modèles physiques employés et de leur reproduction expérimentale. Image: Pierre-Alexandre Goyette et Étienne Boulais
Le pipetage classique est passé de mode; bonjour à l’afficheur chimique pixélisé, qui permet de réaliser d’un coup une multitude de réactions chimiques programmées différemment.
C’est l’image classique des scientifiques au petit et au grand écran : des gens en sarrau qui manipulent des fioles de liquides colorés, pipette en main. Dans la réalité d’un labo, toutefois, les opérations de routine répétitives sont souvent accomplies par un robot pipeteur, qui recrée de façon automatisée le geste humain.
Dans les deux cas, chaque réaction est isolée de sa voisine par une barrière physique, car le pipetage s’effectue typiquement dans des « plaques à puits », où une paroi délimite chaque creux. Une approche traditionnelle qu’une équipe de Polytechnique Montréal vient de faire voler en éclats en créant un dispositif miniature sans barrières où chaque zone de réaction est isolée des autres simplement grâce au comportement des liquides à petite échelle.
« C’est une propriété très particulière de la mécanique des fluides à l’échelle microscopique : au lieu de se mélanger, les liquides s’écoulent en restant chacun dans sa voie. Ils suivent des trajectoires prévisibles », précise Thomas Gervais, professeur de génie physique à Polytechnique Montréal et chercheur au Centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CRCHUM).
En partant de ce principe connu, les chercheurs ont mis au point un dispositif ressemblant à un minuscule pommeau de douche dont chaque trou est relié à un tube indépendant. Le pommeau est placé à moins d’un demi-millimètre de la surface à traiter, par exemple des cellules cultivées en laboratoire et fixées au fond d’une boîte de Petri, puis les réactifs sont injectés par certains trous et aspirés par d’autres, le tout contrôlé par plusieurs pompes programmées séparément. Cela crée les « pixels », soit les zones de réaction indépendantes et précisément délimitées par le mouvement des liquides. D’où le nom de l’invention : afficheur chimique pixélisé.
« Le principe ressemble à celui des téléviseurs à grand écran plat de type ACL [à cristaux liquides], mais au lieu d’avoir des cristaux liquides qui changent de couleur pour former une image, on varie les réactifs pour créer nos pixels », illustre Pierre-Alexandre Goyette, candidat au doctorat en génie biomédical, qui a consacré sa thèse à fabriquer ce dispositif.
Afin de prouver que les zones peuvent bel et bien être programmées pour évoluer dans le temps de façon indépendante, l’équipe a même généré le « premier film chimique au monde » en faisant défiler les lettres P, O, L et Y l’une à la suite de l’autre sur leur écran, qui mesure un centimètre carré et qui est composé de 144 pixels.
« Ça prend 30 secondes pour passer d’une image à l’autre, alors on est loin d’écouter Dune en résolution 4K, dit en rigolant le professeur Gervais, mais on obtient quelque chose de semblable aux afficheurs à cristaux liquides des années 50. »
« Avec l’article qu’on a publié en janvier 2021 dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, on a démontré que le dispositif est robuste et qu’il fonctionne bien. Maintenant, on veut s’en servir dans des contextes variés, pour montrer le type d’utilisations où notre système pourrait remplacer avantageusement les robots pipeteurs », indique Thomas Gervais. Par exemple, le dispositif peut servir à tester plusieurs agents de chimiothérapie en même temps sur un échantillon de tissus cancéreux.
« On voit plusieurs applications dans les sciences de la vie, mais la technologie pourrait tout à fait servir dans un cadre industriel, pour traiter des surfaces de façon localisée », souligne Pierre-Alexandre Goyette, qui l’a d’ailleurs testée en imprimant avec succès un délicat circuit en argent sur une pellicule de plastique.
En voie d’être breveté, l’outil inaugure l’ère des liquides maniés précisément sans pipette.
À l’aide de leur dispositif, les chercheurs ont fait un clin d’œil à leur établissement en créant le « premier film chimique au monde », au cours duquel défilent les lettres P, O, L et Y. Image: Pierre-Alexandre Goyette et Étienne Boulais
Ont aussi participé à cette découverte : Étienne Boulais et Maude Tremblay (Polytechnique Montréal).
L’avis du jury
Cette équipe a « sorti » les tests des silos dont ils étaient en quelque sorte prisonniers. En éliminant les parois et en misant sur la mécanique des fluides à très petite échelle, elle a créé un dispositif qui est beaucoup plus efficace que les procédés actuels tout en étant adaptable à une variété de tests et de protocoles expérimentaux.
