Quelques domaines d’applications de la Microfluidique
Chimie analytique
En chimie, la microfluidique peut être utilisée pour réaliser des analyses précises avec de très petits volumes de réactifs. Cela inclut des techniques comme la chromatographie en phase liquide et la spectrométrie de masse. Elvesys est une start-up française spécialisée dans les équipements microfluidiques depuis 2011. Parmi ses spécialités reconnues à l’international, l’entreprise a développé une technologie lab-on-a-chip ultra-performante pour la détection moléculaire de virus et de bactéries. Ainsi, grâce à la chimie analytique et la technologie qPCR, Elvesys est capable de détecter des virus comme Ebola ou l’Anthrax en moins de 8 minutes. De son côté, Bio-Rad développe une gamme de produits et de services microfluidiques avec notamment une gamme destinée aux tests de confirmation des maladies infectieuses comme le VIH dont il est possible de confirmer la présence d’anticorps dans des microgouttelettes de sang en moins d’une demi-heure grâce à un système de dosage immunochromatographique à usage unique.
Synthèse chimique
La microfluidique permet la réalisation de réactions chimiques dans des canaux microscopiques, offrant un contrôle précis sur les conditions de réaction et améliorant l’efficacité et la sécurité des processus de synthèse.
CortecNet
En collaboration avec le CEA et le CNRS, CortecNet a participé à la création du laboratoire commun « Desir ». Ce laboratoire vise à développer des instruments pour le suivi in situ de synthèses chimiques par RMN (Résonance magnétique nucléaire), une avancée rendue possible grâce aux progrès de la microfluidique et de l’impression 3D. Cette technologie intéresse fortement la R&D académique et industrielle en chimie.
Science des Matériaux
Dans le domaine de la science des matériaux, la microfluidique est utilisée pour développer de nouveaux matériaux avec des propriétés contrôlées. Par exemple, elle peut être employée pour créer des particules ou des fibres avec des tailles et des formes spécifiques.
iSPHERES – Tailoring microparticles
iSpheres exploite une technologie microfluidique pour produire en masse des gouttelettes d’émulsion de taille calibrée. Ces gouttelettes servent alors de germes pour créer des microsphères ayant une taille standard supérieure à 1 µm à base de matériaux sans plastique et aux propriétés physiques variées (magnétique, optique,fluorescence …). iSpheres conçoit également des revêtements fonctionnalisés permettant le greffage de biomolécules et offrant ainsi des réactifs précis pour de nombreuses applications dans le domaine des sciences de la vie.
Ingénierie environnementale
La microfluidique trouve des applications en ingénierie environnementale, comme dans le monitoring de la qualité de l’air et de l’eau, où elle permet d’analyser des échantillons avec une grande précision et sensibilité.
Microbia Environnement est une entreprise qui utilise la microfluidique dans le domaine de l’ingénierie environnementale. Elle se concentre sur la fourniture de technologies innovantes et d’expertise en microbiologie pour améliorer les systèmes de surveillance des proliférations microbiennes. En tant que spin-off de l’Université Pierre et Marie Curie, Microbia Environnement a développé sa technologie pour la production de biocapteurs (basés sur les microalgues et les cyanobactéries) et offre une plateforme microfluidique brevetée (M.A.R.T.A. pour MicroArray for RNA detection of Toxic Algae) permettant l’identification et l’estimation de l’activité des espèces de microalgues toxiques les plus communément observées en milieu marin, soit une vue d’ensemble de 30 espèces.
Agroalimentaire
Dans l’industrie agroalimentaire, la microfluidique peut être utilisée pour le contrôle qualité des aliments, la détection de contaminants, ou même pour le développement de nouveaux types d’aliments ou d’arômes. Direct Analysis, une start-up issue du CEA Grenoble, lancée en 2021, utilise la microfluidique dans le secteur agroalimentaire. Elle a développé une puce microfluidique Xtralyz capable d’extraire l’ADN de bactéries pathogènes en 6 heures, comparativement à 24 heures avec les méthodes traditionnelles. Cette innovation vise à améliorer la sécurité alimentaire en permettant des tests sanitaires rapides et efficaces pour l’industrie agroalimentaire.
Cosmétique
Dans l’industrie cosmétique, la microfluidique aide au développement de produits en permettant la formulation précise et le test de nouvelles textures et propriétés de produits. Capsum est une entreprise qui exploite cette technologie pour créer des produits cosmétiques finis uniques en manipulant l’eau et l’huile à travers des puces microfluidiques pour former des matériaux comme des microcapsules, des perles et des bulles. Cette technique leur permet d’inventer de nouvelles textures et de transformer visuellement les produits. En plus d’offrir des expériences sensorielles uniques, la microfluidique chez Capsum est également utilisée pour protéger les actifs hydrophiles et lipophiles, assurant ainsi leur efficacité maximale lors de leur application.
Electronique et Optique
Dans les domaines de l’électronique et de l’optique, la microfluidique est utilisée pour le développement de dispositifs tels que les écrans à cristaux liquides et les systèmes de refroidissement pour les composants électroniques. R&D Vision est une entreprise française spécialisée dans la conception et la fabrication de solutions innovantes de mesure optique qui intègrent l’acquisition et le traitement d’images. Ils ont développé un système microfluidique complet pour l’analyse de fluorescence en temps réel dans les microcanaux. Cette solution comprend un microscope inversé Zeiss, une caméra monochrome rapide, une caméra couleur haute sensibilité, et un potentiostat, avec une interface logicielle spécifique pour une solution complète, évolutive et entièrement automatisée.
Industrie et technologie
La microfluidique joue un rôle croissant dans l’industrie et la technologie, offrant des avantages significatifs en termes d’efficacité, de précision et de réduction de la consommation d’énergie, ce qui en fait une technologie clé pour l’innovation dans ces secteurs. Les micro-réacteurs sont un exemple d’utilisation des technologies microfluidiques dans le secteur industriel. Petits dispositifs permettant de réaliser des réactions chimiques à l’échelle microscopique, ils sont de plus en plus utilisés dans l’industrie chimique pour plusieurs raisons :
- Efficacité : Les micro-réacteurs offrent une grande surface d’échange, ce qui permet d’améliorer l’efficacité des réactions chimiques en accélérant les processus.
- Sélectivité : Ils permettent de mieux contrôler la sélectivité des réactions, ce qui peut être essentiel pour la production de produits chimiques de haute pureté.
- Sécurité : En raison de leur petite taille, les micro-réacteurs présentent moins de risques en termes de gestion de la chaleur et de gestion des réactifs dangereux.
Dans l’industrie pharmaceutique, les micro-réacteurs sont utilisés pour la synthèse de médicaments. Ils permettent de réduire les temps de réaction et les quantités de réactifs nécessaires, tout en améliorant la qualité des produits finaux.
Médecine et santé
La médecine et plus généralement la santé sont les secteurs d’activités pour lesquels les promesses de la microfluidiques sont les plus attendues. Grâce à cette technologie, le corps médical sera capable, dans un avenir plus ou moins proche, de diviser de manière drastique les délais d’analyses et de diagnostics, leurs coûts et de personnaliser les traitements. La microfluidique a un potentiel énorme dans les applications biomédicales, notamment dans les diagnostics personnalisés, la médecine régénérative, et les thérapies ciblées. Les progrès dans ce domaine pourraient mener à des traitements plus efficaces et moins invasifs pour diverses maladies.
Un exemple de l’apport de la microfluidique dans la médecine est la miniaturisation des tests de diagnostic. Des entreprises telles que Abbott Laboratories ont développé des dispositifs microfluidiques tels que l’ID NOW, un test de diagnostic moléculaire rapide pour détecter des infections virales comme la grippe et le COVID-19. Ces dispositifs permettent des résultats quasi-instantanés, réduisant ainsi le temps d’attente pour les patients et accélérant la prise de décision médicale.
La technologie microfluidique pourrait rapidement devenir indispensable dans le cas des biopsies liquides (ce terme regroupe un ensemble d’examens sanguins dont l’objectif est d’aider au diagnostic des cancers (hors cancers du sang)). A partir d’une simple prise de sang, cette technique permet d’identifier les biomarqueurs (cellules ou molécules qui donnent des info sur les pathologies) sans avoir recours à des méthodes invasives (type biopsie). Trois outils sont disponibles : l’ADN tumoral circulant , l’ARN tumoral circulant ou les cellules tumorales circulantes. Le principes est simple : quand les cellules tumorales meurent, elles relèguent des petits bouts de leur ADN et de leur ARN dans le sang donc en prélevant du sang on va pouvoir très facilement identifier l’ADN ou l’ARN d’une tumeur. Le problème de cette méthode c’est que cellules saines font la même chose en mourant. Il est donc difficile de discriminer les cellules saines des cellules tumorales. La microfluidique permet de « digitaliser » l’analyse : on prend l’échantillon que l’on va introduire dans une puce microfluidique sur laquelle chaque « slot » sera occupé par une et une seule molécule et donc on peut isoler les ADN tumoraux des ADN sains permettant de les compter et donc une évaluation de la concentration de l’ADN tumoral. En fonction d’un seuil fixé en amont, le spécialiste sera en mesure de déterminer la présence ou non d’une tumeur maligne cancérigène.
La dPCR (PCR Digitale) permet donc la détection de nombreux marqueurs génétiques dans le sang de patients atteints de cancer. Elle permet de réaliser plus efficacement les tests, mais également de réaliser des expériences au-delà des capacités des procédures conventionnelles. Ainsi, la dPCR est particulièrement pertinente pour la découverte et la quantification de marqueurs minoritaires, incluant les sous clones rares au sein de la tumeur ou de l’ADN libre circulant.
À terme, la microfluidique pourrait donc permettre de suivre l’évolution des cancers « en temps réel » et d’adapter les stratégies thérapeutiques de façon plus efficace, sans avoir recours à des biopsies invasives.
Autre domaine pour lequel la microfluidique promet des avancées notables : la protéomique. Science qui étudie les protéomes, c’est-à-dire l’ensemble des protéines d’une cellule, d’un organe ou d’un organisme, la protéomique a pour objectif d’identifier, quantifier et caractériser les protéines dans les corps vivants. Bien plus vaste que le génome, il s’agit d’une entité complexe et dynamique car un même gène peut conduire à la synthèse de différentes protéines selon les circonstances (alors que le génome humain a été entièrement décodé, le protéome du corps humain ne l’est qu’à 90%). Mieux connaître les protéomes c’est progresser dans la connaissance du vivant, des maladies et de leurs évolutions. La microfluidique peut jouer un rôle crucial dans ce domaine innovant pour plusieurs raisons :
- – La possibilité de manipuler des fluides à une très petites échelles, primordial pour l’étude des protéines pour lesquels les échantillons sont souvent en très faible quantité ;
- – La réduction de la consommation de réactifs ;
- – Les dispositifs microfluidiques peuvent être conçus pour intégrer plusieurs étapes du processus protéomique, comme la lyse cellulaire, la digestion des protéines, la séparation et la détection, dans un seul système. Cette intégration permet l’automatisation et la standardisation des protocoles améliorant la reproductibilité et l’efficacité des analyses ;
- – L’amélioration de la vitesse d’analyse et à haut débit permise par la possibilité de réaliser des analyses sur de nombreux échantillons en parallèle.
Défis et Avenir de la Microfluidique
Bien que technologie d’avenir, la microfluidique fait face à de nombreuses problématiques. Une problématique de coûts, tout d’abord, puisque la fabrication de dispositifs microfluidiques peut être coûteuse, en particulier pour les designs complexes nécessitant des matériaux et des procédés de fabrication spéciaux. La réduction des coûts reste un défi majeur pour rendre la microfluidique plus accessible, surtout pour les applications médicales et de recherche à grande échelle. Ce passage à l’échelle, justement, peut devenir problématique car la production à grande échelle reste compliquée. De nombreux défis attendent la microfluidique : la standardisation des processus de fabrication et le maintien de la qualité sur de grands volumes de production, notamment. Enfin, la combinaison de la microfluidique avec d’autres technologies, comme l’électronique ou la biotechnologie, présente également des défis d’ingénierie. L’intégration doit être fluide pour que les systèmes combinés fonctionnent efficacement et de manière fiable.
Et demain ?
L’intégration de l’IA dans la microfluidique pourrait ouvrir des possibilités passionnantes pour l’automatisation et l’amélioration des analyses. L’IA peut aider à interpréter les données complexes issues des dispositifs microfluidiques, optimisant les processus de diagnostic et de recherche. Autre voie d’exploration : la nanofluidique. L’exploration de l’échelle nanométrique (encore plus petite que la microfluidique) promet des avancées dans la manipulation de molécules individuelles et dans les interactions à l’échelle atomique, ce qui pourrait révolutionner les domaines comme la production de médicaments et les capteurs moléculaires.
UNE INNOVATION – UNE START-UP : EMULSEO
Emulseo est une société innovante spécialisée dans le développement et la production de formulations pour des applications microfluidiques en gouttes. Elle se distingue par son expertise dans la microfluidique, offrant des solutions de pointe pour divers secteurs tels que l’industrie pharmaceutique, chimique et les biotechnologies. Forte d’une équipe d’une quinzaine de personnes (aussi bien technique et scientifique que commerciale et adminsitrative), Emulseo collabore étroitement avec ses clients pour fournir des produits de haute qualité et des conseils experts pour leurs applications spécifiques. Emulseo a levé 1,5 million d’euros en novembre 2022 (après une première levée de 500K€ en 2020) afin d’accélérer le déploiement de ses activités commerciales à l’international tout en développant de nouveaux produits innovants. Emulseo est un #AlumniUnitec.
Technologie de la Microfluidique en Gouttes chez Emulseo
La microfluidique en gouttes, cœur de l’expertise d’Emulseo, est une technique révolutionnaire permettant la manipulation de microgouttelettes dans un environnement contrôlé. Cette technologie se caractérise par la création de gouttes qui agissent comme des mini-réacteurs, permettant des analyses et des réactions précises à une échelle microscopique.
Chez Emulseo, cette technologie est exploitée pour offrir une précision sans précédent dans des domaines comme la PCR digitale en gouttes (dPCR), l’analyse de cellules uniques, le criblage à haut débit, la biologie synthétique, et le contrôle des réactions chimiques et biologiques.
Quelle offre ?
Emulseo propose une gamme variée de produits adaptés à ces applications microfluidiques. Parmi eux, les tensioactifs assurent une stabilisation optimale des gouttes, essentielle pour maintenir l’intégrité et la fiabilité des réactions se produisant à l’intérieur. Les huiles fluorées biocompatibles sont un autre élément clé de leur offre, permettant de créer un milieu idéal pour les gouttes. En outre, les traitements de surface (FluoSurf™ ) et les produits chimiques spécialisés complètent la gamme, fournissant des solutions complètes pour diverses applications microfluidiques.
INTERVIEW CROISÉE : 3 questions à…
Florine Maes, CEO d’Emulseo et Sophie Bourzeix, CEO d’HEKAT
Start-up accompagnées par UNITEC (EMULSEO entre 2017 et 2021 et HEKAT depuis 2023), elles illustrent le transfert de technologies par excellence : d’une expertise scientifique sont nées une application et une entreprise.
Qu’apporte votre solution / innovation à notre société du quotidien ?
F.M. EMULSEO accompagne les utilisateurs et développeurs de la technologie microfluidique, et leurs applications en développement, tout en participant à l’industrialisation et à la montée en échelle de leur besoin. Ces technologies, en croissance et prometteuses en matière médicale – ex. le diagnostic rapide et précoce, la recherche en cancérologie, le criblage de cellules, de médicaments, le développement de solution thérapeutique personnalisée, etc…- ont un impératif : disposer de formulations et de produits d’analyse adaptés et performants. Emulseo fournit des produits clés comme le tensioactif (i.e. une substance qui modifie la tension superficielle des gouttes et permet manipulation et analyse).
S.B. HEKAT développe un instrument microfluidique et optique qui compte mais aussi trie à grande vitesse des nano objets biologiques, pour répondre à des problématiques cruciales de l’industrie de la santé.
Exemple : les exosomes et leur utilisation diagnostique. Les exosomes sont des vésicules de moins de 100 nm libérées par nos cellules, transportant dans nos fluides corporels des informations physiopathologies cruciales, en particulier dans le cas des cancers (tumeurs circulantes), des infections (propagation de la résistance aux antibiotiques), des maladies dégénératives etc. La compréhension des mécanismes en jeu est en train de bouleverser notre compréhension de la physiologie humaine et donc d’ouvrir des perspectives nouvelles en médecine. Cependant, leur potentiel est encore largement sous-exploité : on ne sait pas les trier, par exemple en fonction des cellules dont ils proviennent. Il est donc impossible de les analyser à des fins diagnostiques ou thérapeutiques, de façon spécifique pour tel ou tel type cellulaire ou telle maladie… En triant les exosomes en fonction de biomarqueurs, notre instrument permettra un diagnostic précoce, précis et fiable, sans biopsie invasive ni risquée, des cancers de mauvais pronostic (comme ceux du pancréas ou du foie).
Pourquoi avoir choisi de travailler ensemble ?
F.M. Travailler avec Hekat pour l’optimisation d’une formulation tensioactive était tout naturel, dans la mesure où la plateforme – extrêmement performante qu’elle développe entre totalement dans les promesses de la microfluidique pour l’industrie de la santé/le médical. Et il est important pour nous de souligner que voir se développer des start-ups en microfluidique dans notre région est la preuve que l’écosystème est moteur dans l’innovation du secteur de la santé.
S. B. Pour trier des nano objets à haute cadence, nous les encapsulons individuellement dans des gouttes dont la particularité est d’être à la fois très petites (quelques µm de diamètre) et très rapides (50 000 fabriquées par seconde, à la suite). Notre besoin est d’assurer la stabilité de ces gouttes, qui forment une émulsion… ce qui nécessite un tensioactif, soit une substance qui modifie la tension superficielle des gouttes.
Emulseo est un spécialiste mondialement reconnu qui fabrique le meilleur tensioactif pour notre application : travailler ensemble était évident ! Par ailleurs, les critères de choix de nos sous-traitants stratégiques sont primordiaux : la proximité géographique, comme la synergie fructueuse pour le territoire en font partie.
Quelles perspectives pressentez-vous pour ce marché ?
F. M. Au-delà de la santé, la microfluidique investit les champs de la cosmétique et de l’agro-alimentaire. Emulseo ambitionne d’être leader en formulations pour cette technologie, en développant un panel de formulations, de produits de qualité et performants, et en préparant la montée en échelle de leur production.
S. B. Pour Hekat, 3 marchés distincts : l’instrumentation pour la recherche académique et/ou privée sur les nano objets (virus, exosomes) ; celui des vecteurs viraux évalué à 2 milliards de $ par an, dont 50% pour le contrôle et la purification ; enfin, le diagnostic lié aux exosomes : un marché gigantesque et naissant (3 Milliards de $ /an à partir de 2028 dont 50% pour l’instrumentation.)
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