Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

Imaginez un test de diagnostic qui fonctionne comme un minuscule système fluvial autonome. Depuis des décennies, la méthode la plus courante pour vérifier des maladies à domicile ou dans des cliniques isolées est le test à flux latéral, cette bandelette familière qui change de couleur lorsqu'elle détecte un virus ou une hormone. Ces dispositifs sont des merveilles de simplicité : une goutte de liquide est déposée à une extrémité, et elle imprègne naturellement une membrane de papier poreux, transportant les produits chimiques avec elle jusqu'à ce qu'elle atteigne une ligne de test. Ce processus ne nécessite ni piles, ni pompes, ni formation. Cependant, cette simplicité même est aussi une limite. Comme le liquide se déplace en un flux continu et unique, le dispositif ne peut effectuer qu'une seule étape à la fois. Il ne peut pas facilement administrer un échantillon, attendre qu'il réagisse, puis introduire un second produit chimique pour amplifier le signal. Pour obtenir des résultats plus sensibles, les scientifiques doivent souvent recourir à des procédures complexes à plusieurs étapes, difficiles à automatiser sur une simple bandelette.

Des chercheurs de l'Université du Nord de l'Illinois et de l'Université du Nevada ont trouvé un moyen de surmonter ce goulot d'étranglement sans ajouter de complexité. Ils ont développé un composant passif minuscule, appelé diode fluidique, qui peut être inséré au milieu d'une bandelette de test standard. Tout comme une diode électrique permet au courant de ne circuler que dans une seule direction, ce nouveau dispositif permet au liquide de s'écouler vers l'avant à travers le papier, mais l'empêche de refluer. En disposant ces diodes en séquence, les chercheurs ont créé un système où différents liquides peuvent être administrés les uns après les autres, dans un ordre précis, le tout au sein de la même petite bandelette. Cette innovation transforme un test simple à étape unique en un outil de diagnostic sophistiqué à étapes multiples, tout en restant aussi facile à utiliser et à fabriquer que la version originale.

Le cœur de cette invention est un agencement ingénieux de matériaux qui guide le liquide grâce à la tension superficielle plutôt que par des parois physiques. Dans un dispositif microfluidique traditionnel, des canaux sont creusés dans du plastique ou du verre pour contenir le liquide. Ici, les chercheurs ont construit un pont entre deux tampons de papier en utilisant une fine feuille de plastique, laissant un minuscule espace d'air invisible entre le papier et le plastique. Lorsque le liquide pénètre dans le premier tampon, il est attiré à travers cet espace par l'attraction naturelle entre l'eau et les surfaces plastiques, s'écoulant de manière fluide vers le tampon suivant. Cependant, si quelqu'un tente de pousser le liquide vers l'arrière depuis le second tampon, la géométrie du dispositif change. Le liquide rencontre un bord tranchant et une surface hydrophobe, ou repoussant l'eau, qui agit comme un panneau "stop". Le liquide reste bloqué au bord et ne peut pas traverser l'espace en sens inverse. Ce comportement unidirectionnel est entièrement passif ; il ne nécessite aucun élément mobile, aucune électricité, ni aucun contrôle externe.

Pour prouver que ce concept fonctionne, l'équipe a testé des diodes individuelles avec divers mélanges liquides. Ils ont constaté que lorsqu'un liquide était appliqué sur le tampon de départ, il traversait l'espace d'air et atteignait le tampon suivant en moins de trois secondes. Lorsqu'ils tentaient de pousser le liquide vers l'arrière, celui-ci restait en place, fermement retenu par la géométrie de la vanne d'arrêt, même sous pression. Le dispositif s'est avéré assez robuste pour gérer les additifs courants trouvés dans les tests médicaux, tels que les tensioactifs, qui sont des substances chimiques utilisées pour aider les liquides à se propager uniformément. Même avec ces additifs, le liquide s'écoulait rapidement vers l'avant mais refusait de reculer, confirmant que la diode pouvait fonctionner de manière fiable dans des conditions réelles.

La véritable puissance de cette technologie est apparue lorsque les chercheurs ont connecté plusieurs diodes ensemble en une chaîne. En les reliant, ils ont créé un système où le liquide pouvait passer d'une section à l'autre selon une séquence stricة. Dans ces assemblages en cascade, différents liquides colorés étaient introduits à différents moments. Le premier liquide avançait, puis s'arrêtait, attendant l'ajout du second liquide. Le second liquide coulait ensuite vers l'avant, poussant le premier sans les mélanger. Cela a démontré que le dispositif pouvait administrer des réactifs dans un ordre spécifique, une capacité qui était auparavant impossible sur une bandelette de papier standard sans une fabrication complexe ou une intervention de l'utilisateur.

Les chercheurs ont ensuite appliqué cette technologie à un test pour le SARS-CoV-2, le virus responsable de la COVID-19. Ils ont conçu une bandelette de test où l'échantillon et les produits chimiques de détection étaient conservés séparément jusqu'au moment opportun. D'abord, l'échantillon du patient était appliqué et coulait jusqu'à la ligne de test. Ensuite, un second liquide contenant les produits chimiques de détection était ajouté, lequel coulait à travers la diode et réagissait avec l'échantillon. Ce processus en deux étapes a permis au test de réaliser une réaction de liaison plus complexe qu'une bandelette standard. Les résultats ont été frappants : le nouveau test en deux étapes a produit un signal deux fois et demie plus fort qu'un test conventionnel utilisant exactement les mêmes produits chimiques. Ce signal plus fort suggère que cette méthode pourrait détecter le virus à des niveaux plus bas, rendant le test plus sensible.

L'aspect le plus significatif de cette découverte est sans doute la facilité de sa fabrication. La diode fluidique ne nécessite ni machines coûteuses, ni ingénierie de précision. Comme le liquide est guidé par les propriétés de surface des matériaux plutôt que par des canaux creusés, les composants peuvent être assemblés en couches plates, tout comme le papier, le plastique et l'adhésif utilisés dans les bandelettes de test actuelles. Ces couches peuvent être découpées en bandes individuelles à l'aide des mêmes machines à haute vitesse déjà utilisées par les usines. Cela signifie que cette technologie peut être déployée à grande échelle pour la production de masse sans avoir besoin de reconstruire toute l'infrastructure de fabrication. En transformant une simple bandelette de papier en un dispositif capable de réactions complexes et cadencées, ce travail offre une voie pratique vers des outils de diagnostic plus puissants qui restent abordables et accessibles à tous.