Des dispositifs imprimés en 3D pourraient rationaliser la production de microparticules pour l'administration de médicaments.
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Des chercheurs du MIT ont démontré la conception à faible coût de buses électroniques spécialisées, appelées émetteurs d'électropulvérisation triaxiaux, qui pourraient être utilisées pour fabriquer efficacement et à grande échelle des particules à libération prolongée de médicaments ou des matériaux auto-réparateurs.
Légende: Vue rapprochée des buses qui émettent les microgouttelettes à trois couches. Crédits: Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Les émetteurs électropulvérisation triaxiaux utilisent l'électricité pour distribuer avec précision trois liquides à partir de buses microscopiques afin de générer un flux continu composé de trois couches fluides distinctes. Le liquide forme des gouttelettes multicouches qui peuvent se solidifier en microparticules stratifiées.
Par exemple, un réseau d'émetteurs d'électropulvérisation triaxiaux peut servir à fabriquer des nanoparticules à trois couches destinées à l'administration de médicaments. La couche externe pourrait s'éroder lentement dans l'estomac, révélant un second matériau qui contrôle la libération d'un matériau central, lequel achemine le médicament vers une zone spécifique de l'intestin.
La fabrication de réseaux miniatures d'émetteurs d'électropulvérisation nécessite généralement des procédés de microfabrication coûteux et longs, réalisés dans des salles blanches dédiées aux semi-conducteurs, ce qui en limite l'utilisation. Pour pallier ces inconvénients, des chercheurs du MIT ont imprimé en 3D des réseaux d'émetteurs d'électropulvérisation triaxiaux comportant 16 buses sur une surface d'environ un centimètre carré. Chaque dispositif contient un réseau complexe de microcanaux tridimensionnels qui alimentent uniformément les buses en liquide.
Leur procédé de fabrication en une seule étape ne prend que quelques heures pour produire des réseaux d'émetteurs complexes.
Lors des tests, les matrices imprimées en 3D ont généré à grande échelle des gouttelettes uniformes à trois couches. Cette uniformité est essentielle à la production à haut débit de microparticules stratifiées pour des applications telles que les biocapteurs détectant des substances chimiques ou les cellules artificielles favorisant la régénération tissulaire.
« Il serait impossible de fabriquer un tel dispositif dans une salle blanche de semi-conducteurs. Sa fabrication est rendue possible uniquement grâce à l'impression 3D », explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Laboratoires de technologie des microsystèmes (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant cette avancée. « Les particules générées par ces dispositifs, qu'elles soient utilisées pour un composite auto-réparateur ou pour l'administration de médicaments, peuvent avoir un impact considérable dans de nombreuses applications. Nous souhaitons démocratiser cette technologie afin que ses avantages profitent à un plus grand nombre de personnes. »
Velásquez-García a collaboré à cet article avec Bryan Ivan Quintanar-Abarca, auteur principal et chercheur à l'Institut technologique de Monterrey, au Mexique. Ces travaux de recherche sont publiés dans la revue Virtual and Physical Prototyping .
Un processus précis
Les émetteurs à électropulvérisation appliquent une haute tension à un liquide à sa sortie de la buse de l'appareil, produisant un flux constant de gouttelettes extrêmement fines.
Les dispositifs triaxiaux contiennent des réseaux de trois buses concentriques qui émettent simultanément trois liquides non miscibles, ou non mélangeables, sous forme de gouttelettes stratifiées, qui peuvent être utilisées pour générer des microparticules composées avec des couches distinctes.
Par exemple, on pourrait utiliser un émetteur électropulvérisation triaxial pour créer une particule de biodétection contenant trois marqueurs chimiques différents, un dans chaque couche. Les émetteurs électropulvérisation permettent de produire des microgouttelettes beaucoup plus petites et beaucoup plus rapidement que d'autres techniques.
La miniaturisation est essentielle pour les dispositifs d'électropulvérisation, car plus l'émetteur est petit, plus la tension nécessaire à la génération de gouttelettes est faible. Le rendement d'un seul émetteur d'électropulvérisation étant modeste, il est nécessaire d'utiliser des réseaux d'émetteurs pour augmenter la production de gouttelettes sans compromettre l'uniformité.
Les dispositifs d'électropulvérisation multi-émetteurs sont généralement fabriqués dans des salles blanches spécialisées dans les semi-conducteurs, mais les procédés traditionnels limitent la forme et la taille des composants. Les chercheurs n'ont trouvé aucune publication antérieure décrivant un réseau d'électropulvérisation triaxial miniaturisé, ce qui souligne le caractère novateur de ces travaux.
« Lorsqu’on conçoit un réseau triaxial, il faut trouver un moyen de créer des géométries comportant de nombreux éléments intégrés et des structures extrêmement fines, le tout dans un encombrement minimal. Et il faut s’assurer que les dispositifs fonctionnent de manière uniforme », explique Velásquez-García.
Pour ce faire, lui et ses collaborateurs ont utilisé une technique d'impression 3D appelée photopolymérisation en cuve, qui utilise la lumière pour solidifier des couches extrêmement fines de résine liquide, fabriquant ainsi un dispositif complexe couche par couche.
Ce procédé d'une extrême précision a permis aux chercheurs d'imprimer des couches de seulement 25 micromètres d'épaisseur, soit une fraction de l'épaisseur d'un cheveu. Ils ont ainsi pu générer la géométrie interne complexe nécessaire à un émetteur électropulvérisation triaxial.
Amélioration du design
Ce dispositif, légèrement plus grand qu'une pièce d'un centime américain, contient un réseau de microcanaux internes enroulés qui acheminent le liquide vers 16 buses. Ces microcanaux hélicoïdaux permettent de maintenir une pulvérisation uniforme de microgouttelettes sur toutes les buses, tout en conservant un format aussi compact que possible.
« En un sens, les émetteurs du réseau n'apprennent jamais qu'ils ont d'autres émetteurs, sinon il y aurait des interférences et des diaphonies entre eux. Nous avons obtenu cette uniformité grâce au travail de conception réalisé », explique Velásquez-García.
Ils devaient également fabriquer des canaux extrêmement petits sans structures de support, qui pourraient obstruer le dispositif, et s'assurer que toute la résine non polymérisée était éliminée avant l'utilisation du réseau.
Les microcanaux acheminent le liquide vers les buses concentriques, qui doivent être parfaitement alignées pour émettre correctement des microgouttelettes de manière constante.
« Nous avons pu optimiser la conception de manière très poussée car nous pouvions itérer beaucoup plus rapidement. Cette capacité à peaufiner les conceptions avec une grande précision est un avantage clé de l'impression 3D », explique Velásquez-García.
Les chercheurs ont testé plusieurs architectures afin de déterminer la combinaison idéale de débits de liquide permettant d'optimiser la stabilité et l'homogénéité des microgouttelettes émises. Ils ont été surpris de constater que la viscosité du liquide intermédiaire joue un rôle primordial dans la stabilité des microgouttelettes, car elle préserve l'épaisseur de chaque couche.
De plus, les chercheurs ont découvert qu'en ajustant les débits et les tensions, ils pouvaient moduler avec précision l'épaisseur de chaque couche de microgouttelettes. Ceci permettrait aux scientifiques de concevoir des particules pour l'administration de médicaments dotées de couches idéales, afin que le médicament soit libéré au moment précis.
« En rendant ces dispositifs complexes plus pratiques, nous pouvons donner aux autres les moyens de poursuivre des avancées entrepreneuriales et scientifiques », déclare Velásquez-García.
À l'avenir, les chercheurs souhaitent continuer à perfectionner leur procédé de fabrication et leurs conceptions afin d'obtenir des dimensions encore plus petites et d'intégrer des matériaux conducteurs ou diélectriques aux dispositifs pour créer des réseaux d'émetteurs par électropulvérisation plus avancés.