De meilleurs micro-entra?nements pour le transport de substances dans les liquides

Les scientifiques recherchent des éléments d'entra?nement de l'ordre du micromètre qui pourraient permettre à l'avenir de transporter des médicaments ou des molécules de capteurs chimiques à des endroits précis du corps. Des chercheurs de l'ETH Zurich viennent de franchir une étape décisive dans le développement de tels micromoteurs : une nouvelle technique de fabrication et un nouveau matériau leur permettent de fabriquer de tels éléments d'entra?nement minuscules dans n'importe quelle forme et de pouvoir ainsi les optimiser pour des applications futures.

Les éléments d'entra?nement allongés, qui peuvent se déplacer dans les liquides, sont hélico?daux et magnétiques. Ils sont entra?nés par un champ magnétique rotatif externe : ils s'alignent sur le champ magnétique et tournent ainsi autour de leur propre axe longitudinal. En raison de leur forme hélico?dale, ils avancent ainsi dans le liquide.

Avec les techniques de fabrication utilisées jusqu'à présent, les propriétés magnétiques dépendaient de la forme des micro-objets, comme l'explique le doctorant Christian Peters du groupe de Christofer Hierold, professeur de micro- et nanosystèmes. Cela compliquait la t?che des chercheurs pour développer des éléments d'entra?nement contr?lables avec précision et qui suivent la trajectoire. "Jusqu'à présent, ces éléments tanguaient lorsqu'ils se dépla?aient vers l'avant, et ils étaient peu efficaces car leurs propriétés magnétiques n'étaient pas idéales", explique Peters. "Mais nous avons maintenant développé un matériau et une technique de fabrication qui nous permettent de déterminer les propriétés magnétiques indépendamment de la géométrie de l'objet".

Micro-imprimante 3D

Les scientifiques utilisent pour cela une résine époxy biocompatible sensible à la lumière, dans laquelle ils ont incorporé des nanoparticules de magnétite. Dans une première étape de durcissement partiel, ils ont exposé une fine couche de ce matériau à un champ magnétique. Les nanoparticules ont ainsi été magnétisées et se sont organisées en lignes parallèles. L'orientation de ces lignes détermine les propriétés magnétiques du matériau. A partir du film époxy modifié, les chercheurs ont fabriqué les minuscules structures hélico?dales par polymérisation à deux photons. Cette technique est en quelque sorte une micro-imprimante 3D : le point focal d'un rayon laser est déplacé en trois dimensions dans la couche de résine époxyde par commande informatique, ce qui permet de durcir localement la résine. Les zones non durcies peuvent ensuite être éliminées par lavage à l'aide d'un solvant.

Les chercheurs ont ainsi fabriqué des structures hélico?dales de 60 micromètres de long et de neuf micromètres de diamètre, et plus précisément celles dont l'aimantation est perpendiculaire à l'axe longitudinal. Les méthodes traditionnelles ne permettraient pas de fabriquer un objet présentant de telles propriétés magnétiques. En effet, l'aimantation préférentielle est généralement orientée dans le sens de l'axe longitudinal d'un objet, comme pour l'aiguille d'une boussole. Les nouveaux éléments de propulsion peuvent être contr?lés avec précision, ils flottent presque quatre fois plus vite que les éléments précédents et ne tanguent pas.

De nouvelles formes avec une plus grande surface

Alors que les anciens éléments de microentra?nement fabriqués différemment avaient généralement la forme d'un tire-bouchon (une hélice), les scientifiques de l'ETH peuvent produire des formes qui s'en éloignent gr?ce à la technique de fabrication en micro 3D. Dans leur étude, ils ont fabriqué des structures similaires à des rubans torsadés en spirale et à des fils métalliques doublement torsadés. Les tests ont montré que ces formes se dépla?aient dans le liquide aussi rapidement que les éléments d'entra?nement en forme de tire-bouchon. Elles se distinguent toutefois de ces derniers par une surface deux fois et demie à quatre fois plus grande. "Cela les rend plus intéressantes pour certaines applications", explique Salvador Pané, collaborateur scientifique dans le groupe de Bradley Nelson, professeur de robotique et de systèmes intelligents.

Si l'on souhaitait à l'avenir utiliser de tels éléments pour amener des médicaments ou des molécules de capteurs chimiques à des endroits précis du corps, il suffirait de recouvrir les éléments d'entra?nement avec les molécules correspondantes. Et plus les surfaces de ces éléments sont grandes, plus les quantités de substances transportées sont importantes. Les chercheurs ont démontré qu'il est en principe possible de recouvrir les structures de substances intéressantes sur le plan biomédical en couplant des anticorps à la surface des moteurs à vis.

"Mais nous ne nous intéressons pas seulement à l'application dans les microentra?nements", précise Peters. "Elle peut être utilisée chaque fois que l'on veut fabriquer des micro-objets ayant des propriétés magnétiques spécifiques". Ce travail est le fruit de plusieurs années de recherche commune entre deux chaires du Département de génie mécanique et des procédés dans les domaines de la technologie des microsystèmes et de la microrobotique, ajoute Pané. Le groupe du professeur Nelson de l'ETH a une expertise de plusieurs années dans la fabrication et l'utilisation d'éléments flottants magnétiques, celui du professeur Hierold de l'ETH dans l'utilisation de nouveaux matériaux fonctionnels dans les microsystèmes.