L'utilisation de la microfluidique en biologie et en médecine offre de nouvelles possibilités passionnantes pour la culture cellulaire in vitro grâce à un contrôle accru du microenvironnement des cellules.
Deux sujets importants et liés qui émergent dans ce domaine sont l'organe sur puce et la culture cellulaire 3D. Les outils puissants développés grâce à la microfabrication d'une large gamme de matériaux polymères et non polymères en microfluidique et en micropatterning permettent une grande diversité dans l'ingénierie du microenvironnement. Cela rend possible le développement de modèles in vitro aux caractéristiques sans précédent dans n'importe quel laboratoire, avec des méthodes rentables en termes de coût et de temps. Non seulement le microenvironnement peut être contrôlé efficacement, mais le faible volume de ces modèles permet une parallélisation efficace des études in vitro, réduisant les coûts et permettant un criblage de médicaments à plus haut débit [1] [2].
Une large gamme de matériaux est disponible pour les chercheurs travaillant ou souhaitant travailler dans ces domaines, avec de nombreuses caractéristiques différentes en termes de biocompatibilité, de propriétés optiques et mécaniques, de facilité de manipulation et de coût. L'objectif de cette revue est de présenter les matériaux utilisés en microfluidique qui peuvent également être employés pour la culture cellulaire. Nous présenterons brièvement leurs forces et leurs faiblesses les uns par rapport aux autres.
Un problème majeur lors du passage de la culture cellulaire in vitro conventionnelle à la culture cellulaire microfluidique est celui de l'échelle. En raison des changements d'échelle, tels que le rapport volume/surface dans de tels dispositifs de culture, les caractéristiques des cellules cultivées peuvent être significativement altérées. Par exemple, le rapport entre la surface de culture cellulaire et le volume du milieu change drastiquement par rapport aux cultures conventionnelles. [3]
Thermodurcissables
Le PDMS (polydiméthylsiloxane) est le matériau de choix pour la microfluidique, principalement grâce à la facilité de son processus de microfabrication, à sa transparence optique, à ses propriétés élastomères et à sa capacité à être lié de manière permanente au verre ou à lui-même. Ces propriétés font que le PDMS est largement utilisé pour la microfabrication de dispositifs microfluidiques à l'échelle du laboratoire.
En culture cellulaire, la biocompatibilité et la perméabilité aux gaz du PDMS le rendent adapté à la culture cellulaire en microcanaux. Ses propriétés optiques combinées à une faible autofluorescence le rendent idéal pour la détection par fluorescence, et il peut être moulé et lié sans salle blanche, ce qui le rend attrayant pour les équipes de recherche souhaitant débuter en microfluidique.
Cependant, le PDMS présente certains inconvénients, notamment en ce qui concerne l'absorption de petites molécules. Cela peut être particulièrement critique en culture cellulaire pour les tests de médicaments, car le PDMS peut altérer significativement les concentrations des espèces d'intérêt, ce qui est crucial lors du suivi de concentrations nano et micromolaires.[4]
Le PDMS est également perméable à la vapeur d'eau, de sorte que le dispositif peut sécher ou présenter une concentration osmotique instable du canal.
Ces propriétés peuvent rendre l'utilisation du PDMS assez complexe pour des expériences Longer. Néanmoins, ce matériau est un pilier de la microfluidique depuis longtemps et un vaste corpus de littérature couvre déjà le sujet.
Polymères thermoplastiques pour la culture cellulaire
Les polymères thermoplastiques tels que le polycarbonate et le polystyrène sont un autre type de matériau utilisé en microfluidique qui a également trouvé son application dans la culture cellulaire. Le processus de microfabrication est rapide et le passage du matériau de base à une puce fonctionnelle peut être réalisé en quelques minutes et s'adapter à toutes les échelles, du prototypage à l'industrialisation.
Ils ont généralement des interfaces rigides, ce qui rend le processus de liaison plus difficile qu'avec le PDMS. Néanmoins, la grande variété de thermoplastiques les rend prometteurs pour le développement d'applications futures, car il est possible d'en trouver un avec des caractéristiques adaptées à l'application, et tous nécessitent le même processus de production, seulement légèrement ajusté.
Certains des thermoplastiques utilisés en microfluidique et pour la culture cellulaire sont :
Le polystyrène (PS) et les polymères de cyclo-oléfine (COP)[5] se sont avérés adaptés à la culture cellulaire tout en atténuant l'absorption de petites molécules hydrophobes et la libération d'oligomères non réticulés présents avec le PDMS.
Les copolymères de cyclo-oléfine (COC)[6] [7] [8] sont une catégorie de COP fabriqués à partir de plusieurs types de monomères. Certaines variantes présentent une inertie biologique élevée et sont adaptées à la culture cellulaire après un traitement au plasma d'air pour les cellules HeLa. [9]
Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est un thermoplastique qui peut non seulement être estampé à chaud, mais aussi gravé au laser, réduisant ainsi le nombre de composants nécessaires au processus de microfabrication. [10] [11] [12]
Le polycarbonate (PC) est déjà un matériau largement utilisé pour la culture cellulaire, il a également été employé en microfluidique. Cependant, la nature fermée des canaux et la nature non perméable du matériau le rendent non idéal pour les contraintes spécifiques de la microfluidique. Le PC est donc souvent utilisé en conjonction avec le PDMS dans des puces hybrides pour produire des gradients d'oxygène grâce à la faible perméabilité à l'oxygène. [13]
Il a été démontré que les thermoplastiques tels que le COC, le PMMA et le PC présentent une autofluorescence significativement plus élevée que le PDMS, les rendant inadaptés à certaines méthodes de détection. [14]
Élastomère thermoplastique souple
L'utilisation de matériaux souples élastomères présente un grand intérêt pour la microfluidique dans son ensemble. La faible rigidité de ces matériaux les rend suffisamment déformables pour la fabrication directe d'éléments mécaniques intégrés tels que des micropompes et des valves. Cela facilite grandement la mise en œuvre de fonctions complexes dans des matériaux élastomères comme le PDMS. Une autre catégorie de matériaux élastomères est celle des élastomères thermoplastiques souples (sTPE). Ce sont des copolymères à blocs comprenant une matrice élastomère avec des domaines thermoplastiques durs composés de multiples blocs suffisamment petits pour être continus à l'échelle du microdispositif (µm). Cela confère des propriétés chimiques et un processus de moulage facile, proches des thermoplastiques durs, avec des propriétés élastomères permettant une liaison facile et des caractéristiques micromécaniques.
Le Flexdym[15] est un sTPE développé pour pallier les inconvénients du PDMS en microfluidique concernant le prototypage rapide, l'adsorption, l'absorption et le collage de substrats, tout en conservant ses avantages tels que la souplesse, les propriétés optiques, la biocompatibilité et la perméabilité aux gaz. Il peut être utilisé pour la culture cellulaire grâce à sa perméabilité aux gaz (bien qu'inférieure à celle du PDMS) et le prototypage peut être extrêmement rapide, ne prenant que quelques minutes pour passer du processus de moulage à la puce finale scellée. Il peut également être injecté, ce qui signifie que le passage à l'échelle industrielle est simple.
Les perfluoropolyéthers (PFPE) [16] ont été utilisés pour la culture cellulaire et montrent des performances similaires aux puces en PDMS, principalement grâce à leur perméabilité aux gaz. Les PFPE sont souples et transparents, ce qui les rend très similaires au PDMS. Ils peuvent être structurés directement par photolithographie, ce qui constitue un avantage significatif car cela élimine le besoin d'un moule et réduit le nombre d'étapes pour la production de micropuces. Cependant, certains inconvénients sont le coût élevé et la très forte inertie chimique du matériau, rendant la modification de surface difficile.
Le verre [17] possède des propriétés très intéressantes pour la culture cellulaire microfluidique, notamment sa stabilité chimique et ses propriétés optiques qui peuvent être utilisées pour une répétabilité de mesure accrue. Cependant, sa production complexe et coûteuse en fait un matériau de niche pour la recherche et l'industrie. Le verre reste un matériau de choix pour le prototypage, mais la polyvalence des traitements de surface qui lui sont disponibles et sa résistance peuvent compenser le coût plus élevé, en particulier pour les puces réutilisables.
La microfluidique sur papier est un développement récent pour la production d'applications de diagnostic délocalisé à faible coût. L'impression de microréacteurs de culture sur papier en modifiant la surface pour améliorer l'adhésion cellulaire est particulièrement prometteuse pour les futurs diagnostics de détection cellulaire à faible coût. [18]
[1] Su, X., Young, E. W., Underkofler, H. A., Kamp, T. J., January, C. T., & Beebe, D. J. (2011). Microfluidic cell culture and its application in high-throughput drug screening: cardiotoxicity assay for hERG channels. Journal of biomolecular screening, 16(1), 101-111.
[2] An, D., Kim, K., & Kim, J. (2014). Microfluidic system based high throughput drug screening system for curcumin/TRAIL combinational chemotherapy in human prostate cancer PC3 cells. Biomolecules & therapeutics, 22(4), 355-362.
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[5] Su, X., Young, E. W., Underkofler, H. A., Kamp, T. J., January, C. T., & Beebe, D. J. (2011). Culture cellulaire microfluidique et son application dans le criblage de médicaments à haut débit : essai de cardiotoxicité pour les canaux hERG. Journal of biomolecular screening, 16(1), 101-111.
[6] Mottet, G., Perez-Toralla, K., Tulukcuoglu, E., Bidard, F. C., Pierga, J. Y., Draskovic, I., … & Louis Viovy, J. (2014). A three dimensional thermoplastic microfluidic chip for robust cell capture and high resolution imaging. Biomicrofluidics, 8(2), 024109.
[7] Jena, R. K., & Yue, C. Y. (2012). Dispositifs microfluidiques à base de copolymère d'oléfine cyclique pour les applications de biopuces : Greffage de surface par ultraviolet utilisant la 2-méthacryloyloxyéthyl phosphorylcholine. Biomicrofluidics, 6(1), 012822.
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[9] Johansson, B. L., Larsson, A., Ocklind, A., & Öhrlund, Å. (2002). Caractérisation de surfaces polymères traitées par plasma atmosphérique par ESCA et mesures d'angle de contact pour l'optimisation de la stabilité de surface et de la croissance cellulaire. Journal of applied polymer science, 86(10), 2618-2625.
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[13] Chang, C. W., Cheng, Y. J., Tu, M., Chen, Y. H., Peng, C. C., Liao, W. H., & Tung, Y. C. (2014). A polydimethylsiloxane–polycarbonate hybrid microfluidic device capable of generating perpendicular chemical and oxygen gradients for cell culture studies. Lab on a Chip, 14(19), 3762-3772.
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[15] Roy, E., Stewart, G., Mounier, M., Malic, L., Peytavi, R., Clime, L., … & Veres, T. (2015). From cellular lysis to microarray detection, an integrated thermoplastic elastomer (TPE) point of care Lab on a Disc. Lab on a Chip, 15(2), 406-416.
[16] Jellali, R., Paullier, P., Fleury, M. J., & Leclerc, E. (2016). Liver and kidney cells cultures in a new perfluoropolyether biochip. Sensors and Actuators B: Chemical, 229, 396-407.
[17] Jang, K., Sato, K., Igawa, K., Chung, U. I., & Kitamori, T. (2008). Development of an osteoblast-based 3D continuous-perfusion microfluidic system for drug screening. Analytical and bioanalytical chemistry, 390(3), 825-832.
[18] Corradini, E., Curti, P. S., Meniqueti, A. B., Martins, A. F., Rubira, A. F., & Muniz, E. C. (2014). Recent advances in food-packing, pharmaceutical and biomedical applications of zein and zein-based materials. International journal of molecular sciences, 15(12), 22438-22470.
