Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
Cette étude présente une puce microfluidique à fractionnement par pincement de flux à entrée hybride qui surmonte la rétention de particules et l'instabilité du focalisage pour parvenir à une séparation de microalgues basée sur la taille, sans marquage, hautement efficace, reproductible et avec des taux de tri dépassant 90 % et des puretés supérieures à 92 %.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Dans le monde microscopique de l'eau, de minuscules plantes appelées microalgues constituent la base de la vie aquatique. Ces organismes unicellulaires sont essentiels pour capturer le carbone, nettoyer les eaux usées et potentiellement alimenter le futur, mais les étudier ou les utiliser pour l'industrie nécessite une première étape difficile : séparer des types spécifiques d'un mélange désordonné. Les échantillons d'eau naturels sont encombrés de cellules de différentes tailles, formes et densités, ainsi que de débris qui obstruent les filtres traditionnels ou endommagent les cellules délicates lors de la centrifugation. Les scientifiques recherchent depuis longtemps un moyen de trier ces minuscules formes de vie sans utiliser d'étiquettes, de produits chimiques ou de machines coûteuses nécessitant des équipements lourds. Le défi consiste à créer une méthode douce, continue et suffisamment précise pour distinguer une petite cellule d'une grande simplement par la façon dont elle se déplace dans un fluide.
Des chercheurs de l'Université Nationale Tsing Hua à Taïwan ont développé une nouvelle approche à ce problème en utilisant une technique appelée fractionnement par flux pincé. Imaginez un couloir étroit où une foule de personnes est poussée contre un mur par un courant d'air rapide ; les personnes se tenant le plus près du mur sont serrées, tandis que celles qui se tiennent quelques pas en retrait ont plus d'espace. Dans ce dispositif microfluidique, un échantillon d'eau contenant des algues est pressé contre le côté d'un minuscule canal par un courant d'eau propre plus rapide. Comme les cellules plus grandes ne peuvent pas s'approcher autant du mur que les plus petites, elles finissent par se retrouver dans des voies légèrement différentes. Lorsque le canal s'élargit soudainement, ces voies s'écartent, permettant aux différentes tailles de s'écouler vers des sorties distinctes. Bien que ce concept ne soit pas nouveau, les versions précédentes de ces dispositifs avaient souvent des difficultés à manipuler de véritables échantillons biologiques. Les cellules restaient coincées à l'entrée, ou le flux devenait instable, provoquant l'échec du tri.
Pour résoudre ces problèmes, l'équipe a conçu une puce microfluidique dotée d'une entrée modifiée. Ils ont testé trois façons différentes d'ouvrir l'entrée où l'échantillon pénètre dans le dispositif. Un modèle laissait l'ouverture partiellement bloquée, ce qui aidait à guider les cellules mais provoquait le blocage de trop nombreuses cellules. Un autre modèle laissait l'ouverture entièrement large, ce qui réduisait l'adhérence mais rendait la position de départ des cellules trop imprévisible. Les chercheurs ont découvert qu'un modèle « hybride », qui combinait les caractéristiques des deux, offrait le meilleur équilibre. Cette nouvelle entrée permettait aux cellules d'entrer sans encombrement tout en les maintenant étroitement focalisées dans leurs voies. Ils ont également ajusté la longueur des tubes connectés aux sorties et ajouté une infime quantité d'une substance glissante à l'eau pour empêcher les cellules de coller aux parois du dispositif.
L'équipe a d'abord testé son dispositif en utilisant des billes de plastique de deux tailles distinctes, mesurant 3 et 15 UA. En ajustant soigneusement la vitesse du flux d'échantillon par rapport au flux de gaine, ils ont été capables de diriger presque entièrement les petites billes vers une sortie et les grandes billes vers l'autre. Le dispositif a trié les petites billes avec un taux de réussite de plus de 90 % et a récupéré la quasi-totalité des billes du système, ce qui signifie que très peu ont été perdues. Cela a confirmé que le nouveau design de l'entrée fonctionnait comme prévu pour des objets ronds et simples.
Encouragés par ces résultats, les chercheurs sont passés à de véritables échantillons biologiques. Ils ont sélectionné deux types de microalgues : Nannochloropsis sp., qui sont petites et approximativement sphériques, mesurant entre 3 et 5 UA, et Thalassiosira weissflogii, qui sont plus grandes et plus irrégulières, mesurant entre 11 et 16 UA. Contrairement aux billes de plastique uniformes, ces cellules vivantes varient en forme et peuvent pivoter lorsqu'elles se déplacent, ce qui les rend plus difficiles à prédire. Les chercheurs ont constaté que la vitesse de flux optimale pour les algues plus grandes était légèrement différente de celle des billes de plastique, nécessitant un ratio spécifique de 1 part d'échantillon pour 9 parts de fluide de gaine. Dans ces conditions, le dispositif a réussi à séparer les deux espèces. Il a dirigé 90,3 % des petites cellules de Nannochloropsis vers la sortie correcte et 92,0 % des cellules plus grandes de Thalassiosira vers la leur. La pureté des échantillons collectés était élevée, avec plus de 96 % des petites cellules étant du bon type et 92 % des grandes cellules.
Crucialement, les chercheurs ont répété l'expérience quatre fois pour s'assurer que les résultats étaient fiables. La performance est restée constante lors de tous les essais, avec très peu de variation dans le succès du tri ou le nombre de cellules récupérées. Cette répétabilité suggère que le dispositif est suffisamment robuste pour une utilisation pratique. L'étude démontre qu'en affinant simplement la géométrie de l'entrée et les conditions de flux, il est possible de créer un système passif, sans étiquetage, qui sépare les microalgues selon leur taille avec une grande efficacité. Bien que le dispositif repose actuellement sur les différences de taille et puisse avoir des difficultés avec les espèces de même taille, il offre une méthode simple, à faible coût et douce pour préparer des échantillons biologiques, pouvant potentiellement aider à la surveillance environnementale et à la culture d'algues pour diverses applications industrielles.
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