Une équipe de deux ingénieurs chimistes de l'ETH, Chih-Jen Shih et Andrew deMello, a mis au point un système de test rapide en papier graphène intelligent, qui co?te quelques centimes par bandelette, fonctionne simplement et atteint en même temps la précision des mesures de laboratoire. Cette approche n'influence pas seulement la surveillance des maladies.
L'essentiel en bref
- Les tests rapides présentent un grand avantage par rapport aux autres analyses médicales. Ils sont si simples que chacun peut les réaliser lui-même presque partout.
- Les chercheurs de l'ETH ont désormais trouvé un moyen de rendre les tests rapides beaucoup plus sensibles, rapides et précis gr?ce à un papier à bandelettes en graphène.
- Les chercheurs ont non seulement prouvé scientifiquement leur procédé de test rapide, mais ils ont également simplifié la fabrication des bandes de papier analytique de manière à obtenir un produit utilisable dans la pratique.
Les tests de grossesse et les tests rapides Covid présentent un grand avantage par rapport aux autres analyses médicales. Ils sont si simples que chacun peut les réaliser lui-même pratiquement partout. Cela est d? au principe de base fiable de ces méthodes dites microfluidiques : Des solutions aqueuses se diffusent par capillarité à travers une bandelette de test en papier. Les substances recherchées, telles que les particules virales ou les hormones de grossesse, peuvent être retenues et concentrées à l'endroit souhaité à l'aide d'anticorps. Un système de coloration rend ensuite la substance d'essai plus dense lentement visible sous forme de bande.
Si ce principe de base fonctionne de manière simple et fiable, l'évaluation visuelle des résultats peut s'avérer difficile. La question de savoir s'il y a une ligne visible ou si c'est juste une illusion nous a probablement tous préoccupés au moins une fois depuis le début de la pandémie de Covid.
C'est précisément là qu'intervient l'invention de l'équipe de l'ETH. Ils ont trouvé un moyen de former des électrodes conductrices directement à l'intérieur du papier de la bandelette. Ainsi, lorsqu'une substance recherchée se lie, un signal électronique est directement généré. Les mesures deviennent ainsi beaucoup plus sensibles, rapides et précises.
Améliorer la technologie du papier à bas prix
Chih-Jen Shih et Andrew deMello partagent une passion : "Notre plus grande motivation est d'améliorer les expériences chimiques ou biologiques de base afin de créer de nouvelles possibilités scientifiques", ce que leurs groupes de recherche ont désormais réussi à faire avec les tests rapides. En combinant la microfluidique sur papier, simple et peu co?teuse, avec la sensibilité et la précision des méthodes de mesure électroniques, une multitude d'applications analytiques en bénéficient. De la surveillance autonome de biomarqueurs sanguins par les patients aux tests de maladies effectués en quelques minutes dans des régions reculées du monde, en passant par les échantillons de sol, d'air ou d'eau prélevés sur le terrain, l'éventail des applications potentielles couvre pratiquement toutes les analyses chimiques, biologiques et médicales pouvant être effectuées dans des solutions aqueuses.
Combinaison de compétences comme clé
Jusqu'à présent, les tentatives visant à équiper la chimie du papier, peu co?teuse, d'électrodes de détection étaient entravées par une propriété fondamentale des substances conductrices : Les conducteurs électriques n'interagissent en principe pas avec l'eau et agissent donc comme des barrières à l'écoulement des mélanges d'échantillons et de réactions dans une bande de papier.
Pour surmonter cet obstacle et faire de cette technique un procédé fiable qui fonctionne également dans des régions du monde moins développées, il a fallu combiner différentes compétences, comme le souligne deMello. Pour le nouveau test rapide, les chercheurs de l'ETH ont donc combiné leurs expertises : Le savoir-faire pour la génération directe de la conductivité dans le papier est venu du groupe de Shih. Le groupe de DeMello a quant à lui apporté ses connaissances en matière de systèmes microfluidiques.
Le laser décompose la cellulose en carbone pur
La base de l'invention est la transformation, à l'aide d'un laser, des polymères de sucre qui composent la cellulose du papier en graphène. Cette forme particulière de carbone est conductrice et est considérée comme un matériau électronique d'avenir.
Lors de la transformation par laser, les molécules de cellulose sont décomposées en leurs éléments carbone, oxygène et hydrogène, de manière comparable à la caramélisation du sucre de ménage. Mais alors que le chauffage prolongé du sucre dans une poêle ne laisse que du charbon ordinaire qui ne conduit pas le courant électrique, les scientifiques de l'ETH sont parvenus à réorganiser le graphène conducteur dans les atomes de carbone de la cellulose gr?ce au laser.
Un réglage intelligent fait la différence
La création de graphène dans du papier cellulosique n'aurait toutefois pas suffi à elle seule. En effet, ce matériau miracle est hydrophobe, comme pratiquement tous les autres matériaux conducteurs. Cela signifie qu'il repousse l'eau et que celle-ci ne peut donc pas s'écouler à travers lui. Gr?ce à un réglage intelligent de l'énergie laser, les chercheurs ont réussi à doser la décomposition de la cellulose en graphène de manière à ce que non seulement la porosité initiale de la cellulose soit conservée. Certains des groupes d'oxygène de la cellulose subsistent également à la surface des zones de graphène.
"Notre plus grande motivation est d'améliorer les expériences chimiques ou biologiques fondamentales de manière à créer de nouvelles possibilités scientifiques".Chih-Jen Shih et Andrew deMello
Ces groupes d'oxygène peuvent interagir avec les molécules d'eau et assurent ainsi dans les électrodes une mouillabilité pratiquement aussi bonne que dans le reste du papier. En outre, des molécules dites "reporters" peuvent se lier chimiquement à ces groupes d'oxygène. Ainsi, un signal électronique est directement émis lorsqu'une particule virale interagit avec un anticorps de détection sur l'électrode.
Développer la science pour en faire un produit utilisable dans la pratique
Les chercheurs ont ajusté l'énergie laser à l'aide de deux vis de réglage principales : D'une part, ils ont traité le papier avec des retardateurs de flamme. Ceux-ci empêchent l'énergie laser de carboniser complètement la cellulose ou même de la br?ler. D'autre part, ils ont réduit la puissance du laser et travaillé à la place avec plusieurs impulsions qui apportent une énergie moindre par unité de surface dans le papier.
Shih et deMello ne se sont toutefois pas contentés de démontrer scientifiquement le principe des électrodes en papier. Leur ambition était plut?t de développer un produit utilisable dans la pratique. Pour cela, ils ont mis en ?uvre le principe dans des cas d'application pratiques et ont également simplifié massivement la fabrication des bandes de papier analytique. En 90 minutes, il est déjà possible de fabriquer 176 capteurs à partir d'un papier A4 et le prix unitaire n'est plus que de 0,02 dollar.
Un environnement optimal pour les innovations multidisciplinaires
Pour Shih, l'environnement de l'ETH a joué un r?le décisif dans l'invention : "Nous faisons partie du Département de chimie et des sciences biologiques appliquées. De ce fait, en tant qu'ingénieurs, nous sommes directement inspirés par la recherche de pointe qui se fait autour de nous".
La manière dont les deux ingénieurs chimistes rendront leur invention accessible à la société et la commercialiseront n'a pas encore été déterminée. Compte tenu des possibilités d'application extrêmement larges, un modèle de licence serait envisageable. Mais à cet égard aussi, les scientifiques peuvent compter sur l'environnement de l'ETH, selon deMello : "Les responsables d'ETH transfer ont une grande expérience de la protection de la propriété intellectuelle et de la négociation de contrats de licence".
Indépendamment de la manière dont l'invention trouvera sa place dans des produits concrets, d'innombrables personnes dans le monde entier devraient en fin de compte profiter de cette innovation de l'ETH. Des thérapies médicales plus efficaces au monitoring complet des infections, en passant par une agriculture plus efficiente : l'intégration directe d'électrodes dans les bandelettes réactives porte les possibilités de la fluidique papier à un nouveau niveau.