Des chercheurs impriment en 3D les composants clés d'un spectromètre de masse pour les soins à domicile
Ce matériel peu coûteux est plus performant que les versions les plus récentes et pourrait un jour permettre la mise au point d'un dispositif de surveillance de la santé à domicile à un prix abordable
La spectrométrie de masse, une technique qui permet d'identifier avec précision les composants chimiques d'un échantillon, pourrait être utilisée pour surveiller la santé des personnes souffrant de maladies chroniques. Par exemple, un spectromètre de masse peut mesurer les niveaux d'hormones dans le sang d'une personne souffrant d'hypothyroïdie.
Des chercheurs du MIT ont imprimé en 3D un ionisateur miniature, élément clé d'un spectromètre de masse. Le nouvel ioniseur miniature pourrait un jour permettre la réalisation d'un spectromètre de masse à domicile abordable pour la surveillance de la santé. La photo montre des éléments du nouvel appareil, notamment un circuit imprimé (PCB) vert surmonté d'un boîtier orange. Sous le boîtier se trouve un rectangle noir où se trouve l'émetteur d'électrospray.
Courtesy of Luis Fernando Velásquez-García, et al
Mais les spectromètres de masse peuvent coûter plusieurs centaines de milliers de dollars, de sorte que ces machines coûteuses sont généralement confinées dans des laboratoires où des échantillons de sang doivent être envoyés pour être analysés. Ce processus inefficace peut rendre la gestion d'une maladie chronique particulièrement difficile.
"Notre grande vision est de rendre la spectrométrie de masse locale. Une personne atteinte d'une maladie chronique nécessitant un suivi constant pourrait disposer d'un appareil de la taille d'une boîte à chaussures qu'elle pourrait utiliser pour effectuer ce test à domicile. Pour cela, le matériel doit être peu coûteux", explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT.
Lui et ses collaborateurs ont fait un grand pas dans cette direction en imprimant en 3D un ionisateur bon marché - un composant essentiel de tous les spectromètres de masse - qui est deux fois plus performant que ses homologues de pointe.
Leur dispositif, qui ne mesure que quelques centimètres, peut être fabriqué à l'échelle par lots, puis incorporé dans un spectromètre de masse à l'aide de méthodes d'assemblage robotisées efficaces, de type "pick-and-place". Une telle production de masse le rendrait moins cher que les ionisateurs typiques qui nécessitent souvent un travail manuel, un matériel coûteux pour l'interface avec le spectromètre de masse, ou qui doivent être construits dans une salle blanche pour semi-conducteurs.
En imprimant le dispositif en 3D, les chercheurs ont pu contrôler précisément sa forme et utiliser des matériaux spéciaux qui ont contribué à améliorer ses performances.
"Il s'agit d'une approche de bricolage pour la fabrication d'un ionisateur, mais il ne s'agit pas d'un dispositif assemblé avec du ruban adhésif ou d'une version d'homme pauvre de l'appareil. En fin de compte, il fonctionne mieux que les appareils fabriqués à l'aide de procédés coûteux et d'instruments spécialisés, et tout le monde peut être habilité à le fabriquer", explique M. Velásquez-García, auteur principal d'un article sur l'ioniseur.
Il a rédigé l'article avec l'auteur principal Alex Kachkine, étudiant diplômé en génie mécanique. La recherche est publiée dans le Journal of the American Association for Mass Spectrometry.
Matériel peu coûteux
Les spectromètres de masse identifient le contenu d'un échantillon en triant les particules chargées, appelées ions, en fonction de leur rapport masse/charge. Les molécules du sang n'ayant pas de charge électrique, un ionisateur est utilisé pour leur donner une charge avant qu'elles ne soient analysées.
La plupart des ionisateurs de liquides utilisent pour cela l'électrospray, qui consiste à appliquer une haute tension à un échantillon de liquide, puis à envoyer un mince jet de particules chargées dans le spectromètre de masse. Plus il y a de particules ionisées dans le jet, plus les mesures sont précises.
Les chercheurs du MIT ont eu recours à l'impression 3D, ainsi qu'à quelques optimisations astucieuses, pour produire un émetteur électrospray peu coûteux qui surpasse les versions les plus récentes des ioniseurs de spectrométrie de masse.
Ils ont fabriqué l'émetteur à partir de métal en utilisant le binder jetting, un processus d'impression 3D dans lequel une couverture de matériau en poudre est arrosée d'une colle à base de polymère pulvérisée par de minuscules buses pour construire un objet couche par couche. L'objet fini est chauffé dans un four pour évaporer la colle et consolider l'objet à partir d'un lit de poudre qui l'entoure.
"Le processus semble compliqué, mais il s'agit de l'une des premières méthodes d'impression 3D, très précise et très efficace", explique M. Velásquez-García.
Les émetteurs imprimés sont ensuite soumis à une étape d'électropolissage qui les affine. Enfin, chaque dispositif est recouvert de nanofils d'oxyde de zinc qui confèrent à l'émetteur un niveau de porosité lui permettant de filtrer et de transporter efficacement les liquides.
Sortir des sentiers battus
L'évaporation de l'échantillon liquide pendant le fonctionnement des émetteurs d'électrospray est l'un des problèmes qui peuvent se poser. Le solvant peut se vaporiser et obstruer l'émetteur, c'est pourquoi les ingénieurs conçoivent généralement les émetteurs de manière à limiter l'évaporation.
Grâce à une modélisation confirmée par des expériences, l'équipe du MIT a réalisé qu'elle pouvait utiliser l'évaporation à son avantage. Ils ont conçu les émetteurs comme des cônes solides alimentés de l'extérieur avec un angle spécifique qui tire parti de l'évaporation pour restreindre stratégiquement le flux de liquide. De cette manière, l'échantillon pulvérisé contient un taux plus élevé de molécules porteuses de charges.
"Nous avons constaté que l'évaporation peut en fait être un bouton de conception qui permet d'optimiser les performances", explique-t-il.
Les chercheurs ont également repensé la contre-électrode qui applique la tension à l'échantillon. L'équipe a optimisé sa taille et sa forme, en utilisant la même méthode de projection de liant, afin que l'électrode empêche la formation d'arcs électriques. L'arc électrique, qui se produit lorsque le courant électrique saute un espace entre deux électrodes, peut endommager les électrodes ou provoquer une surchauffe.
Comme leur électrode n'est pas sujette à la formation d'arcs électriques, ils peuvent augmenter en toute sécurité la tension appliquée, ce qui se traduit par une plus grande quantité de molécules ionisées et de meilleures performances.
Les chercheurs ont également créé une carte de circuit imprimé peu coûteuse, dotée d'un système microfluidique numérique intégré, sur laquelle l'émetteur est soudé. L'ajout de la microfluidique numérique permet à l'ioniseur de transporter efficacement des gouttelettes de liquide.
L'ensemble de ces optimisations a permis de créer un émetteur d'électrospray capable de fonctionner à une tension supérieure de 24 % à celle des versions les plus récentes. Cette tension plus élevée a permis à leur dispositif de plus que doubler le rapport signal/bruit.
En outre, leur technique de traitement par lots pourrait être mise en œuvre à grande échelle, ce qui réduirait considérablement le coût de chaque émetteur et contribuerait grandement à faire du spectromètre de masse au point d'intervention une réalité abordable.
"Pour en revenir à Guttenberg, une fois que les gens ont eu la possibilité d'imprimer leurs propres objets, le monde a changé du tout au tout. D'une certaine manière, il pourrait en être de même. Nous pouvons donner aux gens le pouvoir de créer le matériel dont ils ont besoin dans leur vie quotidienne", explique-t-il.
Pour l'avenir, l'équipe souhaite créer un prototype combinant son ioniseur et un filtre de masse imprimé en 3D qu'elle a précédemment mis au point. L'ioniseur et le filtre de masse sont les principaux composants de l'appareil. L'équipe travaille également à la mise au point de pompes à vide imprimées en 3D, qui restent un obstacle majeur à l'impression d'un spectromètre de masse compact complet.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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