Séparation magnétique à petite échelle

La récupération des billes magnétiques impliquées dans les applications biomédicales nécessite un traitement de petits volumes en utilisant les canaux microfluidiques. La microfluidique est un outil permettant l'écoulement de petits volumes de liquide

(10-9-10-18L) dans des dispositifs de taille micrométrique [Monosik et al. (2015)]. L'utilisation de cette technologie a connu un fort essor grâce au développement de techniques de photolithographie depuis l'article de référence de Duffy et al. (1998). De plus les canaux microfluidiques sont faciles à réaliser en utilisant des matériaux peu couteux comme des verres, des polymères [Atalay et al. (2010); Coltro et al. (2014)]. Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est le matériau le plus couramment utilisé pour les applications microfluidiques [Konry et al. (2012); Zhang et al. (2014)]. Effenhauser et al. (1997) sont les premiers qui fabriquent la cellule microfluidique en PDMS (Fig. 12).

28

Fig.12. Cellule microfluidique en PDMS (Selon http://www.elveflow.com/fr/histoire-de-la- microfluidique-et-des-puces-microfluidiques/)

Les dispositifs microfluidiques sont maintenant utilisés dans des domaines de plus en plus variés et avec des niveaux de complexité de plus en plus poussés. La microfluidique fournit une plateforme efficace pour des tests rapides et répétitifs sur des petites quantités de produits avec une sensibilité et une précision [Sun et al. (2014)]. De plus, la microfluidique est la meilleure candidat pour la séparation des billes magnétiques à petite échelle car elle et présente une séparation sélective rapide. L'utilisation de cellules microfluidiques magnétiques est particulièrement intéressante car la consommation d'échantillons et de réactifs peut être réduite au minimum, produisant moins de déchets et permettant l'analyse des échantillons biomédicales précieux [Zhang et al. (2014)]. Par conséquent, l'utilisation des microcanaux pour la manipulation des particules (focalisation, piégeage, séparation) a attiré l'attention des scientifiques [Liang et al. (2011)], ils les ont utilisés pour la séparation électrophorétique d'échantillons pour la bioanalyse (fragment d'ADN, peptides). Ces microsystèmes créent de nouvelles possibilités pour le contrôle spatial et temporel de la croissance des cellules. Cette intégration assez poussée de la microfluidique dans les microsystèmes bioanalytiques aboutit à des platesformes multifonctionnelles pour les connaissances biologiques de base dans les cellules et les tissus, ainsi que pour les capteurs à base de cellules avec des fonctions biochimiques, biomédicales et environnementales.

Les microsystèmes microfluidiques sont caractérisés par trois propriétés physiques:

(a) La diminution des dimensions et l'augmentation du rapport surface/volume ouvrant une possibilité d'exploitation de volumes extrément petits des échantillons précieux [Janasek et al. (2006)]

29

(b) Les effets hydrodynamiques apparaissant en microfluidique peuvent gouverner l'architecture des systèmes, améliorer les capacités de séparation de biomolécules, ainsi quel accroitre la cinétique de réaction et la sensibilité de détection [Brody et al.(1996)].

(c) On néglige les effets d'inertie dans ce type de microsystèmes.

Dans les applications biomédicales et d'environnementales, l'utilisation des nanoparticules à la place de microbilles est importante car les nanoparticules ont une surface spécifique plus grand et peuvent capturer plus de molécules par unité du volume de la suspension, ce qui résulte soit en une meilleur sensibilité des analyses biologiques, soit en une diminution de la consommation de nanoparticules pour la purification de l'eau. Issadore et al. (2014) ont présenté un dispositif constitué d'un canal microfluidique contenant des poudres ferromagnétiques en Néodyme-Fer-Bore (NdFeB), dans cette étude, les auteurs ont réussi à séparer les cellules tumorales à partir de leucocytes à l'aide de la sélection immunomagnétique négative. La valeur du gradient de champ magnétique a été variée le long du canal en faisant varier la taille des particules de NdFeB, ce qui a permis une meilleure tri de cellules tumorales.

Des systèmes microfluidiques ont été appliqués pour le suivi de l'endocytose de nanoparticules superparamagnétiques par des cellules eucaryotes, et pour la séparation de cellules ciblées par immunomarquage magnétique [Osman et al. (2013)]. Les NPM peuvent être fonctionnalisées avec des anticorps ayant une affinité avec des protéines que l'on souhaite détecter et/ou séparer d'autres molécules biologiques. Par conséquent, les protéines s'adsorbent sur les anticorps se trouvant sur la surface des nanoparticules et on les extrait du fluide suspendant ensemble avec les NPM à l'aide d'un champ magnétique hétérogène [Kourilov and Steintiz (2002); Martin et al. (2010)]

Cependant, jusqu’à présent, l’utilisation étendue des nanoparticules a été limitée par leur fort mouvement Brownien qui rend la séparation magnétique inefficace.

Cependant à certains conditions, les NPM peuvent subir l'agrégation induit par un champ qui amplifie la force d'attraction magnétique proportionnellement au volume globale et augmente considérablement l'efficacité de capture de nanoparticules [Magnet et al. (2012)]. Sun et al. (2016) ont fabriqué une cellule microfluidique pour détecter et séparer les cellules en utilisant des NPM de ferrite de cobalt, ils ont montré que ce dispositif a atteint plus de 90% d'efficacité

30

de capture à une vitesse d'écoulement de 4 mm/s, ce qui est à peu près deux fois plus grand que celle dans les systèmes d'avant.

De nombreuses recherches ont été effectuées sur les cellules microfluidiques pour différentes configurations de champ magnétique, d’écoulement ou de forme de collecteurs. Des théories ont été développées pour modéliser le captage de nanoparticules en présence du mouvement Brownien en fonction du champ magnétique. Ben Amira (2013) a effectué une étude numérique qui décrit le comportement dynamique et Brownien d'une suspension de nanoparticules soumise à un gradient du champ magnétique. Le modèle tient compte de la diffusion des particules et de la géométrie des structures formées dans la suspension sous l'effet de différentes interactions. Il a montré que différents paramètres influent la durée de séparation, tel que la concentration initiale de la suspension, la taille des nanoparticules qui forment la suspension et d'autres paramètres qui favorisent ou défavorisent l'agglomération des nanoparticules. Samnata et al. (2017) ont présenté une étude numérique caractérisant la performance de séparation magnetophorétique dans les cellules microfluidiques avec deux entrées et trois sorties pour la séparation immunomagnétique de trois espèces différentes à partir de flux continu. La géométrie considérée par ce auteur donne une capacité de capture maximisée, des valeurs d'efficacité de capture importantes qui dépendent de la géométrie du canal. Le séparateur magnétique hybride proposé par Samnata et al. (2017) offre une conception améliorée pour séparation immunomagnétique.

Orlandi et al. (2016) ont étudié le captage des nanoclusters magnétiques autour des microplots aimantés, ces nanoclusters ont été obtenus par association des nanoparticules d'oxyde de fer lors de la stabilisation par une double couche de surfactant amphiphile. Ils ont réalisé un écoulement de filtration de la suspension des nanoclusters à travers des réseaux de microplots aimantés en présence d’un champ magnétique externe, ils ont établi expérimentalement et théoriquement que le captage des nanoclusters est régi par la concentration initiale de NPM dans la suspension et le nombre de Mason qui est le rapport de forces hydrodynamiques sur les forces magnétiques:

0 2 2 0 0 6 h m m NC NC F ud Ma F H d      (7)

avec: u- est la vitesse d'écoulement de la suspension, 𝜂0- est la viscosité du fluide suspendant,

dNC -diamètre moyen de nanoclusters, dm- diamètre du plot magnétique, H0- est le champ

31

Cette aperçu de la séparation magnétique en microfluidique (en petite échelle) nous a permis de voir que ce procédé est applicable à différents objets (molécules, cellules, nanoparticules...) et fait appel à divers types de dispositifs. L'évaluation de l'efficacité des dispositifs de séparation n'est pas triviale. Les paramètres clefs qui reviennent dans la littérature sont le champ magnétique appliqué et la force magnétique exercée sur les particules magnétiques. La compétition entre les force magnétiques et hydrodynamiques, caractérisé par le nombre de Mason définit dans la plupart des cas d'efficacité de la séparation magnétique.