Projet: Microparticules Biomimétiques

Contact: N. Candoni

Suite à notre expertise en microfluidique et en cristallisation, nous menons des projets visant la génération et la caractérisation de microparticules biomimétiques. La méthode consiste à générer des gouttes dans un canal microfluidique (diamètre de 100 à 500µm) et de les contracter tout le long de l’écoulement. Cela confine le soluté (polymère et/ou molécules à cristalliser) que les gouttes contiennent, initiant des réactions de gélification et/ou de cristallisation. Dans ces études, nous partons de la loi d’échelle reliant la taille des microgouttes au cisaillement tangentiel que nous avons établie dans la thèse de Shuheng Zhang (Chemical Engineering Science 138:128-139 (2015)). Ainsi, nous contrôlons la génération des gouttes, en termes de taille et de fréquence et nous explorons les conditions expérimentales du confinement dans plusieurs projets :

- La production de microparticules d’alginate mimes de globules rouges :

Les globules rouges s'agrègent et se désagrègent dans le sang notamment selon la valeur du cisaillement à laquelle ils sont soumis. Or des pathologies (thrombose, diabète, athérosclérose, ...) sont associées à l’hyper-agrégation des globules rouges. Afin de valider un outil ultrasonore de mesure quantitative de l'agrégation in situ et in vivo pour le diagnostic, il est nécessaire de disposer de mimes de globules rouges calibrés et reproductibles. En microfluidique, notre objectif est de fabriquer des microparticules reproductibles contrôlées en taille et en propriétés mécaniques. Pour cela, nous avons procédé par gélification ionique d’un polymère naturel, l’alginate de sodium (Na‑alginate), avec du chlorure de calcium pour former un gel d’alginate de calcium (Ca‑alginate).

Nous avons d’abord généré des gouttes de Na‑alginate de 150µm de diamètre dans un écoulement microfluidique, sans ajout de tensioactif. Comme la contraction de ces gouttes est nécessaire pour atteindre la taille des globules rouges (10µm), nous avons procédé par diffusion de l’eau des gouttes dans la phase continue de l’écoulement microfluidique. Puis nous avons utilisé différentes méthodes de gélification des microparticules de Na-alginate : in situ dans le système microfluidique ou ex situ après la collecte des microparticules de Na-alginate. La taille, la forme, la structure et la teneur en alginate des microparticules de Na- et Ca-alginate formées ont été étudiées en fonction des paramètres opératoires du montage microfluidique. Les microparticules déformables obtenues sont caractérisées en terme de propriétés mécaniques par Microscopie à Force Atomique (AFM) et par manipulation avec des micro-pinces, et en terme de structures par Microscopie Electronique à Balayage (MEB). (Zhang, C.et al., Chem. Eng. Sci. 211, 115322 (2020)).

 

Elaboration par microfluidique, observation et manipulation de particules déformables d'alginate. Zhang, C.et al., A microfluidic method generating monodispersed microparticles with controllable sizes and mechanical properties. Chem. Eng. Sci. 2020, 211, 115322.

Ces travaux ont abouti à une méthode microfluidique pour contrôler la taille et les propriétés mécaniques des microparticules de Ca-alginate tout en évitant leur coalescence, malgré l’absence de tensioactifs. Ainsi, nous avons obtenu des microparticules de Ca-alginate monodisperses présentant un module de Young proche des globules rouges et la faisabilité de leur utilisation pour des mesures ultrasonores a été également montrée. Par ailleurs, nous avons exploré des méthodes alternatives en parallèle, que nous avons comparées à la littérature. (Zhang, C. et al. Biomater Res 25, 41 (2021)).

Ce projet fait l’objet d’une collaboration avec l’Institut de Recherche des Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) et le Laboratoire de Mécanique et Acoustique (LMA) dans le cadre de l’ANR « Cellular Ultrasonic imaging Modality to assess red Blood cell Aggregation in vivo » (ANR CUMBA).

Non-permanents impliqués dans le projet :

2016-2020 Cheng Zhang, Thèse de Doctorat « Développement d'une méthode microfluidique pour la préparation de Microparticules mimes de globules rouges avec une taille et des propriétés mécaniques contrôlables »

2018 Romain Buisson, M2 Bio-ingénierie des Tissus et des Implants– Aix-Marseille Université

2018 Hajar Blladi, Mobilité d’études en 5ème année Génie Biomédical - Polytech Marseille

2016 Paulin Ngounstop, Ecole des Mines d’Albi

2015 Guillem Peybernes, M2 Bio-ingénierie des Tissus et des Implants–Aix-Marseille Université

- L’encapsulation de microcristaux :

Actuellement, nous combinons le savoir-faire acquis sur la contraction des gouttes dans un écoulement microfluidique et notre expertise en cristallisation en solution pour les mettre à profit dans l’encapsulation de cristaux de molécules d’intérêt. L’objectif est de générer des microcapsules de cristaux afin d’en faciliter la manipulation et/ou le ciblage, pour la thérapie localisée ou le diagnostic par imagerie.

La première étape consiste à contrôler la contraction de gouttes de solution de molécules d’intérêt et d’estimer leur sursaturation dans les gouttes après contraction. Des simulations sur COMSOL pourront conforter notre approche. La connaissance de la sursaturation nous permet de nous situer dans le diagramme de phase de la molécule d’intérêt pour provoquer la nucléation des cristaux. Dans une deuxième étape, nous procèderons à la gélification de la goutte contenant le cristal avant, pendant ou après la nucléation des cristaux.

Non-permanents impliqués dans le projet :

2021-2022 Guillem Peybernes, Attaché Temporaire d’Enseignement et de Recherche - Polytech

2020-2021 Karen Silva Vargas , Attaché Temporaire d’Enseignement et de Recherche – Polytech