LEGI - UMR 5519
Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels


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Santé

Thème 1 - Extraction air/eau par collection électrostatique semi-humide

Contact : Jean-Luc Achard

La qualité de notre environnement est devenu un sujet de préoccupation et sa surveillance un enjeu de santé publique. Pour ce faire des technologies doivent être développées afin de collecter des échantillons d’air et/ou d’eau, de les préparer en vue d’une analyse et d’effectuer les analyses appropriées.

- Que recherche-t-on ?

- Quel problème se pose ? Les dispositifs de capture sont généralement fondés sur des principes inertiels efficaces pour la capture de bactéries et inefficaces pour la capture de petites particules comme les virus.

- Quelle réponse aujourd’hui ? Les petites particules comme les virus ne sont pas prises en compte. Un premier macrodispositif, fondé sur un principe innovant de collecte électrostatique humide, est en cours de développement dans le service BioSoC du DTBS/LETI/CEA Grenoble pour effectuer une collecte de large spectre. Ce dispositif a été développé dans le cadre de la convention de collaboration MIP avec le LEGI.

- Objectifs du projet :

  • Modéliser et simuler numériquement le dispositif de collecte dans sa globalité. Cela suppose de prendre en compte de nombreux phénomènes physiques couplés : champs hydrodynamique et thermique au sein deux écoulements gazeux cocourants, décharge couronne & vent ionique, dispersion d’un nuage de particules entraîné par le gaz périphérique et sa dérive pariétale sous l’effet des forces de coulomb, nucléation & croissance de goutelettes à partir de ces particules solides …
  • Miniaturiser le dispositif de collecte en s’appuyant sur la modélisation précédente afin i) de le rendre réellement autonome et portable, ii) de déployer un grand nombre de collecteurs/analyseurs pour pouvoir les placer en des points clefs vis-à-vis des écoulements d’air, iii) de favoriser/faciliter son intégration par l’emploi des micro-technologies développées au LETI.

Brevet

  • GALBRUN, E., ACHARD, J-L, FOUILLET Y. & CHARLES, R., « Dispositif d’extraction air/eau par collection électrostatique semi-humide et procédé utilisant ce dispositif », CEA/CNRS , WO 2007/012447 A1, Date de dépôt : 28 juillet 2005

Thème 2 - Système microfluidique pour l’extraction du plasma à partir de sang complet

Contact : Jean-Luc Achard

Les protéines du plasma humain sont représentatives de nombreux états pathologiques complexes. Le plasma représente ainsi 90% des analyses médicales sanguines. La séparation plasma / cellules sanguines est réalisée la plupart du temps par centrifugation et reste l’obstacle principal en vue de l’intégration complète de l’analyse sanguine en microsystème. Notre but fut de développer une technique simple et rapide permettant de séparer le plasma de façon continue et efficace, et qui soit intégrable dans un labopuce.A partir d’une analyse sur les techniques de fractionnement sanguin existantes et du cahier des charges (échantillon peu dilué et séparation rapide), nous avons fait le choix de la microfluidique passive qui comprend plusieurs techniques (la sédimentation, la centrifugation, la filtration et la migration latérale). La migration latérale s’est avérée la technique la plus prometteuse après une comparaison expérimentales sur de puces en silicium.

Des dispositifs microfluidiques innovants et prometteurs ont alors été proposés pour l’extraction du plasma, fondés sur le couplage de différents phénomènes microfluidiques. Les forces de portance qui s’exercent sur les globules présents dans un microcanal provoquent l’apparition d’une zone appauvrie en globules au voisinage des parois. Cette région riche en plasma peut être fortement accentuée localement par la présence de singularités géométriques, telles qu’un élargissement brusque du canal ou une cavité placée le long de celui-ci. Tous ces phénomènes microfluidiques ont été étudiés expérimentalement et exploités comparativement dans des dispositifs d’extraction du plasma.

Ces dispositifs ont été caractérisés et optimisés, avec un rendement maximal de 17% pour du sang dilué 20X et injecté à 100μL/min. Le plasma extrait a été biologiquement validé, ne montrant ni hémolyse, ni perte ou dénaturation de protéines par rapport à un plasma extrait par la technique référence de centrifugation. La pureté d’extraction est excellente (contamination en globules rouges, globules blancs et plaquettes inférieure à celle obtenue par centrifugation). L’influence de la dilution de l’échantillon a été analysée, avec des dilutions variant de 50X à 5X.

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Migration latérale, couche appauvrie en cellules et recirculations dans les singularités « coins » (Corner- Edge) et « oreilles » ( Ear-Cavity). L’échantillon injecté est du sang dilué au 1/20 et charriant des billes fluorescentes de 0.5μm.

Brevet

  • ROSTAING H., ACHARD J.L., & POUTEAU P., “Device and method for separation of the components of a suspension in particular of blood.”, CEA/CNRS, N° Publication : WO2009024678 (A2), Date de publication : 26/02/2009, Date de dépôt : 18/07/2007.

Thème 3 – Détection sans marquage intégrée dans un labopuce à gouttes

Contact : Laurent Davoust

Ce projet présente une finalité applicative dans le domaine du diagnostic biochimique ; il s’agit d’aller au delà de techniques classiques telles que micro-cantilevers ou SPR (Surface Plasmon Resonance) en privilégiant l’insertion dans un laboratoire sur puce. Notre objectif est donc la détection sans marquage fluorescent de biomolécules cibles tout en privilégiant une intégration naturelle au sein d’un labopuce digital (à gouttes). En pratique, des cibles moléculaires sont détectées après capture à la surface d’une goutte fonctionnalisée par des sondes tensioactives.

La faisabilité d’une détection opto-fluidique à une surface liquide -sans marquage fluorescent- a été mise en évidence dans l’équipe MIP du LEGI (thèse de Cyril Picard) en utilisant pour systèmes modèles des lipides et des séquences d’oligonucléotides (brins d’ADN). Il a été démontré qu’un réseau d’ondes capillaires confinées pouvait entrer en résonance en mesurant par interférométrie un spectre de fréquences propres (10-100Hz). Typiquement, avec une interface eau/air recouverte par des lipides DOGS, on assiste à une modification de la signature spectrale des ondes capillaires, laquelle dépend de la quantité de sondes lipidiques présentes à la surface liquide. Le spectre est encore plus modifié lorsque des séquences ADN sont capturées aux lipides (discrimination brins d’ADN hybridés / non-hybridés prouvée).

Ce projet se développe actuellement dans le sens de la valorisation de ce nouveau phénomène de résonance capillaire. Nous tentons de développer un micro-dispositif de détection sans marquage en s’appuyant sur les fondamentaux précédents. En pratique, la thèse de Johannes Theisen, récemment initiée dans l’équipe MIP du LEGI, a pour ambition le développement d’une résonance capillaire à la surface d’une gouttelette au moyen de l’électromouillage en régime oscillatoire. Des micro-ondes de surface sont produites par oscillation de la ligne de contact dans le plan de mouillage (voir figures ci-dessous). Elles offrent en outre l’avantage de transporter les complexes cible-sonde vers l’apex de la goutte améliorant au passage par concentration fluidique tout autre moyen de détection classique par fluorescence.

Brevet

  • DAVOUST, L., BOUTET, J. & PICARD, C (2008) Micro-dispositif d’analyse d’échantillons liquides, CEA/CNRS/G-INP, n° de dépôt INPI : 08 56390, (extension PCT en cours)