Blog

Mar 28, 2023

Le film

Volume Communication Nature

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4902 (2022) Citer cet article

3505 accès

6 Altmétrique

Détails des métriques

Un système de laboratoire sur puce avec capacité de test au point de service offre un potentiel de diagnostic rapide et précis et est utile dans les environnements à ressources limitées où l'équipement biomédical et les professionnels qualifiés ne sont pas facilement disponibles. Cependant, un système de test au point de service qui possède simultanément toutes les fonctionnalités requises de distribution multifonctionnelle, de libération à la demande, d'opérations robustes et de capacité de stockage de réactifs à long terme reste un défi majeur. Ici, nous décrivons une technologie d'interrupteur actionné par levier de film qui peut manipuler des liquides dans n'importe quelle direction, fournir une réponse de libération précise et proportionnelle à la pression pneumatique appliquée, ainsi que maintenir la robustesse lors de mouvements brusques et de vibrations. Sur la base de la technologie, nous décrivons également le développement d'un système de réaction en chaîne par polymérase qui intègre les fonctions d'introduction, de mélange et de réaction des réactifs en un seul processus, ce qui permet d'obtenir des performances « échantillon dans la réponse » pour tous les échantillons nasaux cliniques de 18 patients atteints de grippe et de 18 contrôles individuels, en bonne concordance de l'intensité de fluorescence avec la réaction en chaîne par polymérase standard (coefficients de Pearson > 0,9). La plate-forme proposée promet une automatisation robuste de l'analyse biomédicale et peut ainsi accélérer la commercialisation d'une gamme d'appareils de test au point de service.

Les maladies humaines émergentes, telles que la pandémie de COVID-19 de 2020 qui a entraîné la perte de millions de vies, constituent une menace majeure pour la santé mondiale et la civilisation humaine1. Une détection précoce, rapide et précise de la maladie est essentielle pour contrôler la propagation d'un virus et obtenir de meilleurs résultats thérapeutiques. Les écosystèmes de diagnostic traditionnels basés sur des laboratoires centralisés, où les échantillons de test sont envoyés aux hôpitaux ou aux cliniques de diagnostic et sont gérés par du personnel professionnel, limitent actuellement l'accès à près de 5,8 milliards de personnes dans le monde, en particulier celles qui vivent dans des environnements à faibles ressources qui manquent d'équipements biomédicaux coûteux et de cliniciens qualifiés2. Le développement d'un système de laboratoire sur puce peu coûteux et convivial avec une capacité de test au point de service (POCT) qui fournit aux médecins des informations de diagnostic en temps opportun pour prendre des décisions éclairées concernant le diagnostic et le traitement est donc hautement souhaitable3.

Les directives de l'Organisation mondiale de la santé (OMS) stipulent qu'un POCT idéal doit être abordable, convivial (facile à utiliser avec une formation minimale), précis (éviter les résultats faux négatifs ou faux positifs), rapide et robuste (assure une bonne reproductibilité), et livrable (capable de stockage à long terme et facilement obtenu par les utilisateurs finaux)4. Pour répondre à ces exigences, les systèmes POCT doivent offrir les fonctionnalités suivantes : distribution multifonctionnelle pour réduire les interventions manuelles, libération à la demande pour contrôler proportionnellement le transport des réactifs pour des résultats de test précis et opérations robustes pour résister aux vibrations de l'environnement. Les dispositifs POCT les plus largement utilisés actuellement sont les bandes à flux latéral5,6 constituées de plusieurs couches de membranes poreuses en nitrocellulose qui entraînent de très petites quantités d'échantillon vers l'avant, tout en réagissant aux réactifs pré-immobilisés via une force capillaire. Bien qu'ils soient peu coûteux, faciles à utiliser et offrent les avantages de résultats rapides, les dispositifs POCT basés sur des bandes de débit ne peuvent être appliqués qu'aux essais biologiques (par exemple, test de niveau de glucose7,8 et test de grossesse9,10) sans nécessiter de réactions en plusieurs étapes (par exemple, chargement de plusieurs réactifs, mélange, réaction multiplexée). De plus, la force motrice pour contrôler le mouvement du fluide (c'est-à-dire la force capillaire) n'offre pas une bonne cohérence, en particulier entre les différents lots, ce qui entraîne une mauvaise reproductibilité11 et rend les bandes d'écoulement latéral utiles principalement pour les détections qualitatives12,13.

Les capacités de fabrication avancées à l'échelle micro et nanométrique ont créé des opportunités pour développer des dispositifs POCT basés sur la microfluidique pour des mesures quantitatives14,15,16,17. En ajustant les propriétés interfaciales18,19 et la géométrie des canaux20,21,22, la force capillaire et le débit de ces dispositifs peuvent être contrôlés. Cependant, leur robustesse, en particulier pour les liquides très mouillants, n'est toujours pas acceptable en raison de l'imprécision de leur fabrication, des imperfections des matériaux et de la sensibilité aux vibrations environnementales23. De plus, le flux capillaire étant généré à l'interface liquide-air, des flux supplémentaires ne peuvent pas être introduits, notamment après le remplissage des canaux microfluidiques en liquide. En conséquence, plusieurs étapes d'introduction d'échantillons doivent être effectuées pour obtenir un test plus complexe24,25.

Parmi les dispositifs microfluidiques, le dispositif microfluidique centrifuge représente actuellement l'une des meilleures solutions POCT26,27. Son mécanisme d'entraînement est avantageux, à savoir qu'en ajustant la fréquence de rotation on peut contrôler les forces d'actionnement. Cependant, l'inconvénient est que la force centrifuge est toujours dirigée vers le bord extérieur du dispositif, ce qui crée des difficultés pour réaliser des réactions en plusieurs étapes qui sont nécessaires pour des dosages plus complexes. Même si des forces d'actionnement supplémentaires (par exemple, capillaires28,29 parmi beaucoup d'autres30,31,32,33,34,35) sont introduites en plus de la force centrifuge pour réaliser la distribution multifonctionnelle, un transport de liquide involontaire peut encore se produire puisque ces forces supplémentaires sont pour la plupart des ordres de grandeur inférieurs aux forces centrifuges, ce qui les rend efficaces uniquement dans de petites plages de fonctionnement, ou incapables d'utiliser la libération de liquide à la demande. La combinaison d'opérations pneumatiques en microfluidique centrifuge, par exemple, la méthode centrifugo-dynamique36,37,38, la méthode thermo-pneumatique39 et la méthode pneumatique active40 se sont révélées être une alternative intéressante. Dans la méthode contrifugo-dynamique, une cavité supplémentaire et des microcanaux de connexion sont intégrés dans le dispositif pour permettre les manipulations vers l'extérieur et vers l'intérieur, bien que son efficacité de pompage (allant de 75 à 90 %) dépende fortement du nombre de cycles de pompage ainsi que de la viscosité des fluides. Dans la méthode thermopneumatique, une membrane en latex et une chambre de transition de liquide ont été spécialement conçues pour sceller ou rouvrir une entrée lorsqu'un volume d'air emprisonné est chauffé ou refroidi. Cependant, la configuration de chauffage/refroidissement entraîne un problème d'actionnement lent et limite son utilisation dans les tests thermosensibles (par exemple, l'amplification par réaction en chaîne par polymérase (PCR)). Dans la méthode pneumatique active, la libération de fluide à la demande et la manipulation vers l'intérieur sont obtenues en appliquant simultanément une pression positive et une vitesse de rotation précisément adaptée, activées par un moteur à grande vitesse. Il y a eu d'autres méthodes réussies qui n'emploient que des mécanismes d'entraînement pneumatiques (pression positive41,42 ou négative43) et une structure de soupape normalement fermée. En appliquant séquentiellement une pression dans la chambre pneumatique, le liquide est pompé vers l'avant d'une manière péristaltique par laquelle la vanne normalement fermée évite que le liquide ne reflue, permettant ainsi des manipulations de fluide complexes. Cependant, il n'existe actuellement que des technologies microfluidiques limitées qui peuvent effectuer une manipulation de fluide complexe dans un seul dispositif POCT, qui comprend la distribution multifonctionnelle, la libération à la demande, un fonctionnement robuste, un stockage à long terme, une manipulation de liquide à haute viscosité et une fabrication rentable, le tout en même temps. Un manque de fonctionnalité en plusieurs étapes pourrait également être l'une des raisons pour lesquelles seuls quelques produits POCT commerciaux (par exemple, Cepheid, Binx, Visby, Cobas Liat et Rhonda) ont été adoptés avec succès sur le marché libre à ce jour.

Dans cet article, nous avons présenté un type de mécanisme d'entraînement microfluidique pneumatique basé sur une technologie d'interrupteur actionné par levier de film (FAST). FAST intègre simultanément toutes les caractéristiques nécessaires et est capable de gérer une gamme de réactifs, du microlitre à plusieurs millilitres. FAST est composé d'un film élastique, d'un levier et d'un bloc. Lorsque la pression pneumatique n'est pas appliquée, le film, le levier et le bloc peuvent être scellés hermétiquement et le liquide à l'intérieur peut être stocké pendant de longues périodes. Lorsqu'une pression appropriée réglable en fonction de la longueur du levier est appliquée, le film se dilate et pousse le levier ouvert pour laisser passer le liquide. Cela permet une distribution multifonctionnelle de liquide de manière en cascade, simultanée, séquentielle ou sélective.

Nous avons développé un système de PCR utilisant FAST pour obtenir des résultats "échantillon entrant-réponse sortant" pour la détection des virus de la grippe A et B (IAV et IBV). Nous avons atteint une limite inférieure de détection (LOD) de 102 copies/ml et nos tests multiplexés ont démontré une spécificité pour l'IAV et l'IBV et fourni une capacité de pathotypage pour le virus de la grippe. Les résultats des tests cliniques utilisant l'échantillon d'écouvillonnage nasal de 18 patients et 18 individus en bonne santé montrent une bonne concordance de l'intensité de fluorescence avec la RT-PCR standard (coefficients de Pearson > 0,9). Le coût matériel estimé du dispositif FAST-POCT est d'environ 1 $ (tableau supplémentaire 1), qui peut être encore réduit lors de l'utilisation d'une méthode de fabrication de masse (par exemple, injection de moule). Concrètement, le dispositif POCT basé sur FAST possède toutes les caractéristiques requises telles qu'envisagées par l'OMS, est compatible avec les méthodes de test biochimiques émergentes telles que les tests de thermocycle plasmonique44, les immunoessais sans amplification45 et les tests fonctionnalisés par nanocorps46, ce qui suggère des opportunités pour les systèmes POCT.

La figure 1a illustre la structure d'une plate-forme FAST-POCT composée de quatre chambres fluidiques : la chambre de pré-stockage, la chambre de mélange, la chambre de réaction et la chambre de déchets. Un élément clé pour contrôler le débit des fluides est la structure FAST (constituée d'un film élastique, d'un levier et d'un bloc) située au niveau des chambres de pré-stockage et de mélange. En tant que méthode pneumatique, la structure FAST permet un contrôle précis du débit de fluide, y compris la commutation entre les états scellé et ouvert, la distribution multifonctionnelle, la libération de fluide à la demande, les opérations robustes (par exemple, insensibles aux vibrations environnementales) et le stockage à long terme. La plate-forme FAST-POCT se compose de quatre couches - couche de substrat, couche de film élastique, couche de film plastique et couche de couverture - comme le montre une vue agrandie de la Fig. 1b (également détaillée dans les Fig. S1 et S2 supplémentaires). Tous les canaux et chambres de transport de liquide (par exemple, les chambres de pré-stockage et de réaction) sont intégrés sur le substrat en PLA (acide polylactique), avec une épaisseur de 0,2 mm (partie la plus fine) à 5 mm. Le matériau du film élastique est du PDMS, d'une épaisseur de 300 μm et est facilement extensible lorsqu'une pression d'air est appliquée en raison de sa "fine épaisseur" et de son petit module d'élasticité (environ 2,25 MPa47). La couche de film plastique est en polyéthylène téréphtalate (PET) d'une épaisseur de 100 μm et sert à protéger le film élastique d'une déformation excessive due à la pression pneumatique. Correspondant aux chambres sur la couche de substrat, il y a des leviers qui se connectent à la couche de couverture (en PLA) par des charnières pour contrôler le débit de liquide. Le film élastique est collé à la couche de substrat par un ruban adhésif double face (ARseal 90880) et recouvert du film plastique. Des structures de clips en forme de T sont utilisées dans la couche de couverture pour assembler les trois couches sur le substrat. Le clip en forme de T a un dégagement entre deux pattes. Lorsque le clip est poussé dans la rainure, les deux pattes se plient légèrement puis retrouvent leur état d'origine lorsqu'elles traversent la rainure et lient étroitement le couvercle et le substrat (Fig. S1 supplémentaire). Un connecteur est ensuite utilisé pour assembler les quatre couches.

a Schéma de principe de la plateforme avec illustration des différentes chambres fonctionnelles et des caractéristiques de FAST. b Schéma de principe en vue agrandie de la plateforme FAST-POCT. c Photo de la plate-forme à côté d'un quarter coin américain.

Le mécanisme de fonctionnement de la plate-forme FAST-POCT est illustré à la Fig. 2. Les composants clés sont un bloc sur la couche de substrat et une charnière sur la couche de couverture, ce qui conduit à un ajustement serré lorsque les quatre couches sont assemblées à travers les structures de clip en forme de T. Lorsque la pression pneumatique n'est pas appliquée (Fig. 2a), l'ajustement serré provoque la déformation en flexion de la charnière, exerçant les forces d'étanchéité à travers le levier pour presser le film élastique contre le bloc et pour sceller le liquide dans la chambre, qui est défini comme un état étanche. Il convient de noter que dans cet état, le levier se plie vers l'extérieur, comme on le voit sur la vue latérale de la figure 2a. Lorsque la pression pneumatique est appliquée (Fig. 2b), le film élastique se dilate vers l'extérieur jusqu'à la couche de couverture et pousse le levier vers le haut ; ainsi, un espace s'ouvre entre le levier et le bloc pour permettre au liquide de s'écouler vers la chambre suivante, qui est définie comme un état ouvert. Lorsque la pression pneumatique est supprimée, le levier peut revenir à sa position d'origine et rester dans son état scellé en raison de la propriété élastique des charnières. La vidéo du mouvement du levier est fournie dans le film supplémentaire S1.

Diagrammes schématiques et images pour un état scellé. Lorsqu'aucune pression n'est appliquée, les leviers pressent le film contre les blocs et le liquide est scellé. b Etat ouvert. Lorsqu'une pression est appliquée, le film est dilaté et pousse le levier vers le haut, ainsi, le canal s'ouvre et le liquide peut s'écouler. c Grandeurs caractéristiques qui déterminent la pression critique. Les dimensions caractéristiques impliquent la longueur du levier (L), la distance entre le bloc et la charnière (l) et l'épaisseur de la saillie du levier (t). Fs est la force d'étanchéité au point de bloc B. q est une charge uniformément répartie sur le levier. Tx* désigne le couple à la charnière généré par le levier. La pression critique signifie la pression nécessaire pour pousser le levier vers le haut et faire couler le liquide. d Les résultats théoriques et expérimentaux pour la relation entre la pression critique et les grandeurs caractéristiques. n = 6 expériences indépendantes ont été menées avec les données indiquées sous la forme ± sd Les données sources sont fournies sous la forme d'un fichier Source Data.

Un modèle analytique basé sur la théorie des poutres est développé comme suit pour analyser la pression critique Pc, à laquelle un espace est ouvert en fonction des paramètres géométriques (par exemple, L est la longueur du levier, l est la distance entre le bloc et la charnière, S est la surface de contact du levier avec le liquide et t est l'épaisseur de saillie du levier illustré à la Fig. 2c). Comme détaillé dans la note complémentaire et la figure complémentaire S3, un espace s'ouvre lorsque \({P}_{c}\ge \frac{2{F}_{s}l}{SL}\), où Fs est la force d'étanchéité liée à l'ajustement serré et conduit le couple \({T}_{x}^{\ast }(={F}_{s}l)\) généré par la déformation en flexion de la charnière. Les caractérisations expérimentales et les modèles analytiques présentent un bon accord (Fig. 2d), montrant que la pression critique Pc augmente avec l'augmentation de t/l et la diminution de L, ce qui s'explique facilement par le modèle de poutre classique, c'est-à-dire que le couple augmente avec t/l. Notre analyse théorique démontre donc clairement que la pression critique peut être réglée efficacement en ajustant la longueur du levier L et le rapport t/l, fournissant ainsi une base importante pour la conception de la plate-forme FAST-POCT.

La plate-forme FAST-POCT permet une distribution multifonctionnelle (comme le montre la Fig. 3a avec des illustrations et des expériences), qui est la caractéristique la plus importante pour une POCT réussie dans laquelle le liquide peut être manipulé dans n'importe quelle direction et dans n'importe quel ordre de distribution multifonctionnelle en cascade, simultanée, séquentielle ou sélective. La figure 3a(i) présente le mode de distribution en cascade dans lequel deux chambres ou plus sont connectées en cascade en utilisant les blocs pour séparer les différents réactifs et un levier pour contrôler les états ouvert et fermé. Lorsqu'une pression est appliquée, le liquide s'écoule du haut vers le bas de la chambre en cascade. Il convient de noter que les chambres en cascade peuvent être remplies de produits chimiques humides ou de produits chimiques secs tels que des poudres lyophilisées. Dans l'expérience de la figure 3a (i), l'encre rouge de la chambre supérieure s'est écoulée vers la deuxième chambre avec des poudres de colorant bleu (sulfate de cuivre) et est devenue bleu foncé lorsqu'elle a atteint la chambre inférieure. Ici, la pression de commande du liquide injecté est également indiquée. De même, lorsqu'un levier est connecté à deux chambres, il devient le mode d'injection simultanée comme illustré sur la figure 3a (ii) dans lequel le liquide peut être distribué de manière égale dans deux chambres ou plus lorsqu'une pression est appliquée. Étant donné que la pression critique dépend de la longueur du levier, on peut ajuster la longueur du levier pour obtenir un mode d'injection séquentiel, comme illustré sur la figure 3a (iii). Un levier long (avec pression critique Pc_long) était connecté à la chambre B et un levier court (avec pression critique Pc_court > Pc_long) était connecté à la chambre A. Lorsque la pression P1 (Pc_long < P1 < Pc_court) était appliquée, seul le liquide en rouge peut s'écouler vers la chambre B et lorsque la pression a été augmentée à P2 (> Pc_court), le liquide bleu peut s'écouler vers la chambre A. dispositif POCT réussi. La figure 3a(iv) montre le mode d'injection sélective, où la chambre principale avait un levier court (avec une pression critique Pc_short) et un levier long (avec une pression critique Pc_long < Pc_short) qui étaient connectés respectivement à la chambre A et à la chambre B, en plus d'un autre canal d'air connecté à la chambre B. appareil en même temps. De cette façon, le liquide a été empêché d'entrer dans la chambre B par P2 ; pendant ce temps, la pression totale P1 + P2 a dépassé la pression critique pour activer le levier le plus court relié à la chambre A pour permettre l'écoulement du liquide vers la chambre A. Ensuite, lorsque la chambre B devait être remplie, il suffit d'appliquer P1 (Pc_long < P1 < Pc_short) dans la chambre principale pour activer le levier long et permettre au liquide de s'écouler vers la chambre B. a été appliqué. Lorsque la chambre A a dû être remplie à nouveau, il suffit d'appliquer P1 dans la chambre principale et P2 dans la chambre supplémentaire. De cette façon, le comportement d'écoulement peut basculer de manière sélective entre les chambres A et B. Le comportement d'écoulement des quatre modes de distribution multifonctionnels peut être trouvé dans le film supplémentaire S2.

a Illustration de la distribution multifonctionnelle, à savoir (i) en cascade, (ii) simultanée, (iii) séquentielle et (iv) sélective. Les courbes indiquent le processus de travail et les paramètres de ces quatre modes de distribution. b Les résultats des tests de stockage à long terme de l'eau DI et de l'éthanol. n = 5 expériences indépendantes ont été menées avec les données indiquées sous la forme ± sd c Démonstration des tests de robustesse lorsque le dispositif FAST et le dispositif basé sur la valve capillaire (CV) sont (i) à l'état statique et (ii) à l'état vibrant. (iii) Le volume en fonction du temps pour les appareils FAST et CV sous différentes fréquences angulaires de vibration. d Résultats des tests de libération à la demande de (i) dispositif FAST et (ii) dispositif CV. (iii) La relation entre le volume et le temps pour les appareils FAST et CV utilisant un mode de pression intermittente. Toutes les barres d'échelle, 1 cm. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

Le stockage à long terme des réactifs est une autre caractéristique essentielle pour un appareil POCT réussi, qui permettra au personnel non formé de manipuler plusieurs réactifs. Bien que de nombreuses techniques montrent leur potentiel de stockage à long terme (par exemple, les micro-distributeurs35, les blisters48 et les emballages en stick49), une chambre de réception spéciale est nécessaire pour contenir les emballages, ce qui augmente le coût et la complexité ; de plus, ces mécanismes de stockage ne permettent pas une libération à la demande et entraînent des pertes de réactifs dues aux résidus dans les emballages. La capacité de stockage à long terme a été testée en effectuant des tests de durée de vie accélérés, en utilisant un matériau PMMA fabriqué par la technique CNC en raison de sa faible rugosité et de sa résistance à la perméation des gaz (Fig. S5 supplémentaire). Les dispositifs de test ont été remplis d'eau DI (eau déminéralisée) et d'éthanol à 70 % (pour simuler les réactifs volatils) à 65 °C pendant 9 jours. L'eau DI et l'éthanol ont été stockés à l'aide d'une feuille d'aluminium pour sceller leur entrée supérieure. Une équation d'Arrhenius et l'énergie d'activation pour la perméation rapportées dans la littérature50,51 ont été appliquées pour calculer le temps réel équivalent. La figure 3b montre les résultats de la perte de poids moyenne de cinq échantillons maintenus à 9 jours à 65 °C, soit l'équivalent de 0,30 % pour l'eau DI et de 0,72 % pour l'éthanol à 70 % pendant plus de 2 ans à 23 °C.

La figure 3c présente les tests de robustesse aux vibrations. Étant donné que la valve capillaire (CV) est la technique de manipulation de liquide la plus populaire dans les dispositifs POCT existants28,29, un dispositif CV d'une largeur de 300 μm et d'une profondeur de 200 μm est utilisé à des fins de comparaison. On observe que lorsque les deux dispositifs étaient maintenus immobiles, le liquide dans la plate-forme FAST-POCT était scellé et le liquide pour le dispositif CV était épinglé en raison de l'expansion brusque du canal, ce qui réduisait la force capillaire. Cependant, à mesure que la fréquence de vibration angulaire de l'agitateur orbital augmentait, le liquide dans la plate-forme FAST-POCT restait scellé, mais le liquide dans le dispositif CV s'écoulait vers la chambre inférieure (voir également dans le film supplémentaire S3). Cela suggère que la charnière déformée de la plate-forme FAST-POCT peut fournir une force mécanique robuste au bloc et ainsi sceller hermétiquement le liquide dans la chambre. Cependant, pour le dispositif CV, le liquide est épinglé en raison de l'équilibre entre les phases solide, air et liquide, créant ainsi une instabilité et la possibilité que la vibration rompe l'équilibre et entraîne un comportement d'écoulement involontaire. L'avantage de la plate-forme FAST-POCT est qu'elle offre un fonctionnement robuste et évite les défaillances opérationnelles en présence de vibrations, qui se produisent généralement pendant la livraison et le fonctionnement.

Une autre caractéristique importante de la plate-forme FAST-POCT est sa performance de publication à la demande, qui est une exigence essentielle dans l'analyse quantitative. La figure 3d compare la version à la demande pour la plate-forme FAST-POCT et un appareil CV. Sur la Fig. 3d(iii), nous voyons que le dispositif FAST a une réponse rapide au signal de pression. Lorsque la pression était appliquée sur une plateforme FAST-POCT, le liquide s'écoulait ; le flux s'est arrêté immédiatement une fois la pression supprimée (Fig. 3d (i)). Cette action peut être attribuée à la récupération élastique rapide de la charnière, qui repousse le levier vers le bloc et scelle ainsi la chambre. Dans le dispositif CV, cependant, le liquide continue de s'écouler, ce qui entraîne un volume de liquide involontaire d'environ 100 μl à la fin lorsque la pression est supprimée (Fig. 3d (ii) et Film supplémentaire S4). Cela peut être attribué à la disparition de l'effet d'épinglage capillaire lors du mouillage complet du CV après la première injection.

La capacité de manipuler des liquides de mouillabilité et de viscosité différentes dans un même appareil reste un défi pour l'application POCT. Une faible mouillabilité peut provoquer des fuites ou d'autres comportements d'écoulement involontaires dans le canal et la préparation de liquide à haute viscosité nécessite souvent des instruments auxiliaires, tels que des mélangeurs vortex, des centrifugeuses et des tamis52. Nous avons testé la relation entre la pression critique et les propriétés du liquide (avec une large gamme de mouillabilité et de viscosité). Les résultats sont présentés dans le tableau 1 et le film S5. On peut voir que le liquide avec une mouillabilité et une viscosité différentes peut tous être scellé hermétiquement dans la chambre, et lorsque la pression est appliquée, même le liquide avec une viscosité aussi élevée que 5500 cP peut également être transféré dans la chambre suivante, ce qui rend possible le test d'échantillon à haute viscosité (c'est-à-dire les expectorations, un échantillon très visqueux utilisé pour diagnostiquer les maladies respiratoires).

En combinant l'unité de distribution multifonctionnelle mentionnée ci-dessus, une large gamme de dispositifs POCT basés sur FAST peut être développée. Nous avons démontré un exemple comme le montre la figure 1. Cette unité contient des chambres de pré-stockage, une chambre de mélange, une chambre de réaction et une chambre de déchets. Les réactifs de réaction peuvent être stockés à long terme dans les chambres de pré-stockage, puis peuvent être libérés dans la chambre de mélange. Les réactifs mélangés peuvent être sélectivement transférés vers la chambre de déchets ou la chambre de réaction lorsque la pression appropriée est appliquée.

Étant donné que les tests PCR sont l'étalon-or pour la détection d'agents pathogènes (par exemple, H1N1 et COVID-19) et impliquent plusieurs étapes de réaction, nous avons utilisé la plateforme FAST-POCT pour les tests PCR comme application. La figure 4 montre la procédure de test PCR utilisant la plate-forme FAST-POCT. Les réactifs d'élution, les réactifs de microbilles magnétiques, la solution de lavage A et la solution de lavage W ont d'abord été pipetés dans les chambres de pré-stockage E, M, W1 et W2, respectivement. Les étapes d'adsorption d'ARN sont illustrées à la Fig. 4a et sont les suivantes : (1) L'échantillon a été pipeté dans la chambre M et libéré dans la chambre de mélange lorsque la pression P1 (= 0,26 bar) a été appliquée. (2) La pression d'air P2 (= 0,12 bar) a été appliquée par le canal A, qui était relié au fond de la chambre de mélange. Bien que de nombreuses techniques de mélange montrent leur potentiel pour le mélange de liquides dans les plates-formes POCT (par exemple, le mélange serpentin53, le mélange chaotique54 et le mélange en mode discontinu55), leur efficacité et leur efficacité de mélange sont encore insatisfaisantes. Ici, une méthode de mélange à bulles est utilisée, dans laquelle de l'air est introduit au fond de la chambre de mélange générant des bulles d'air dans le liquide ; le puissant vortex permet alors des performances de mélange complètes en quelques secondes. Les expériences de mélange de bulles ont été réalisées et les résultats sont fournis dans la Fig. S6 supplémentaire. On peut voir que lorsqu'une pression de 0,10 bar a été appliquée, il a fallu environ 8 s pour terminer un mélange complet. Lorsque la pression a augmenté jusqu'à 0,20 bar, il n'a fallu qu'environ 2 s pour obtenir un mélange complet. La méthode de calcul de l'efficacité du mélange est fournie dans la section méthode. (3) Un aimant au rubidium a été utilisé pour extraire les microbilles, suivi d'une pression P3 (= 0,17 bar) à travers le canal P pour transférer les réactifs dans la chambre à déchets. La figure 4b, c montre les étapes de lavage, qui ont été effectuées pour éliminer les impuretés de l'échantillon, comme suit : (1) La solution de lavage A de la chambre W1 a été libérée dans la chambre de mélange en utilisant la pression P1. (2) Le processus de mélange à bulles a ensuite été effectué. (3) La solution de lavage A a été transférée dans la chambre à déchets, les microbilles étant extraites dans la chambre de mélange par l'aimant. Le processus de lavage W (Fig. 4c) est similaire au lavage A (Fig. 4b). Il est à noter que chaque étape de lavage A et W a été effectuée deux fois. La figure 4d montre l'étape d'élution où l'ARN est élué des microbilles ; les étapes d'injection d'élution et de mélange sont les mêmes que celles des étapes d'adsorption et de lavage d'ARN mentionnées ci-dessus. Puisque le réactif d'élution a été transféré dans la chambre de réaction PCR, les pressions P3 et P4 (= 0,23 bar) ont été appliquées en même temps, ce qui a atteint la pression critique du levier pour sceller la chambre de réaction PCR. De même, la pression P4 contribue également à obturer le canal qui mène à la chambre à déchets. Ainsi, tous les réactifs d'élution ont été répartis de manière égale dans les quatre chambres de réaction PCR pour déclencher une réaction PCR multiplex. Le processus mentionné ci-dessus est fourni dans le film supplémentaire S6.

une étape d'adsorption d'ARN, l'échantillon est introduit dans l'entrée M et injecté dans la chambre de mélange avec la solution de microbilles pré-stockée. Après mélange et extraction des billes, le réactif est distribué dans la chambre à déchets. b, c Étape de lavage, différents réactifs de lavage pré-stockés sont injectés dans la chambre de mélange et après mélange et extraction des billes, les réactifs sont transférés dans la chambre de déchets. d Étape d'élution, le réactif d'élution est injecté, et après mélange et extraction des billes, le réactif est transféré dans la chambre de réaction PCR. Les courbes montrent le processus de travail et les paramètres associés en différentes étapes. La pression est la pression appliquée à travers différentes chambres. Le volume est le volume du liquide dans la chambre de mélange. Toutes les barres d'échelle sont de 1 cm. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

Le processus de test PCR est effectué et le profil thermique est fourni dans la Fig. S7 supplémentaire, y compris le temps de transcription inverse de 20 min et le temps de thermocyclage (95 et 60 ° C) de 60 min, avec un thermocycle pendant 90 s (Film supplémentaire S7). Il faut moins de temps pour FAST-POCT pour terminer un thermocycle (90 s) que pour la RT-PCR conventionnelle (180 s pour un thermocycle). Cela peut être attribué au rapport surface/volume élevé et à la faible inertie thermique de la chambre de réaction PCR à l'échelle microscopique. La surface de la chambre est de 96,6 mm2 et le volume de la chambre est de 25 mm3, ce qui rend le rapport surface/volume d'environ 3,86. On peut voir sur la figure supplémentaire S10 qu'il y a une rainure à l'arrière de la zone de test PCR de notre plate-forme, ce qui rend l'épaisseur inférieure de la chambre PCR de 200 μm. Un tampon élastique de transfert de chaleur est collé à la surface chauffante de l'unité de contrôle de la température, assurant un contact étroit avec la surface arrière de la chambre d'essai. De cette façon, l'inertie thermique de la plate-forme peut être réduite, et l'efficacité de chauffage/refroidissement est augmentée. Au cours du processus de thermocyclage, la cire de paraffine incorporée dans la plate-forme a fondu et s'est écoulée dans la chambre de réaction PCR, agissant comme une substance d'étanchéité pour empêcher l'évaporation des réactifs et la contamination de l'environnement (vu dans le film supplémentaire S8).

Tous les processus de test PCR mentionnés ci-dessus ont été entièrement automatisés à l'aide d'un instrument FAST-POCT personnalisé, qui se compose d'une unité de contrôle de la pression programmée, d'une unité d'extraction magnétique, d'une unité de contrôle de la température et d'une unité de capture et de traitement du signal fluorescent. Il convient de noter que nous avons utilisé la plate-forme FAST-POCT pour l'extraction d'ARN, puis utilisé les échantillons d'ARN extraits pour exécuter des réactions PCR à l'aide du système FAST-POCT et du système PCR de paillasse à des fins de comparaison. Les résultats sont presque identiques, comme le montre la Fig. S8 supplémentaire. L'opérateur effectue la tâche simple d'injecter l'échantillon dans la chambre M et d'insérer la plate-forme sur l'instrument. Les résultats des tests quantitatifs sont alors disponibles après environ 82 min. Des informations détaillées sur l'instrument FAST-POCT peuvent être trouvées dans les Fig. S9, S10 et S11.

La grippe causée par les virus grippaux A (IAV), B (IBV), C (ICV) et D (IDV) est un phénomène mondial courant. Parmi ceux-ci, l'IAV et l'IBV sont responsables de la plupart des cas de maladies graves ainsi que des épidémies saisonnières, qui infectent 5 à 15 % de la population mondiale, causant 3 à 5 millions de cas de maladies graves et représentant 290 000 à 650 000 décès chaque année dus à des maladies respiratoires56,57. Le diagnostic précoce de l'IAV et de l'IBV est essentiel pour réduire la morbidité et les charges économiques qui y sont associées. Parmi les techniques de diagnostic disponibles, la réaction en chaîne par polymérase de la transcriptase inverse (RT-PCR) est considérée comme la plus sensible, spécifique et précise (> 99 %)58,59. Cependant, les techniques RT-PCR conventionnelles nécessitent plusieurs opérations de pipetage, de mélange, de dosage et de transfert de liquide, limitant l'accès au personnel professionnel dans les environnements à ressources limitées. Ici, la plate-forme FAST-POCT a été appliquée séparément pour les tests PCR de l'IAV et de l'IBV afin d'obtenir leur limite inférieure de détection (LOD). De plus, des tests multiplexés de l'IAV et de l'IBV ont été effectués pour différencier les différents pathotypes d'une espèce, fournissant une plate-forme d'analyse génétique prometteuse et une opportunité pour un traitement précis des maladies.

La figure 5a montre les résultats des tests PCR pour l'IAV en utilisant 150 ul d'ARN viral purifié comme échantillons. La figure 5a(i) montre que lorsque la concentration d'IAV était de 106 copies/ml, l'intensité de fluorescence (ΔRn) peut être de 0,830, et lorsque la concentration a diminué à 102 copies/ml, ΔRn peut encore être aussi élevée que 0,365, ce qui est environ 100 fois plus élevé que celui du groupe témoin négatif blanc (0,002). Pour l'analyse quantitative, une courbe d'étalonnage linéaire entre la concentration logarithmique d'IAV et le seuil de cycle (Ct) a été obtenue (Fig. 5a (ii)) avec R2 = 0, 993 dans la plage de 102 à 106 copies / ml sur la base de six expériences distinctes. Ces résultats concordent bien avec les techniques classiques de RT-PCR. La figure 5a (iii) montre les images de fluorescence des résultats des tests après 40 cycles de la plateforme FAST-POCT. Nous avons constaté que la plateforme FAST-POCT peut détecter aussi peu que 102 copies/ml d'IAV. Cependant, la méthode conventionnelle n'a pas de valeur Ct à la concentration de 102 copies/ml, ce qui rend sa LOD d'environ 103 copies/ml. Nous supposons que cela peut être attribué à la grande efficacité du mélange des bulles. Les expériences de test PCR pour les ARN IAV purifiés ont été menées pour évaluer différentes méthodes de mélange, y compris le mélange par agitation (la même méthode de mélange que l'opération RT-PCR conventionnelle), le mélange par bulles (la méthode actuelle, 3 s à la pression de 0,12 bar) et sans mélange en tant que groupe témoin. Les résultats peuvent être trouvés dans la Fig. S12 supplémentaire. On peut le voir lorsque la concentration d'ARN est élevée (106 copies/ml), la valeur Ct pour différentes méthodes de mélange est presque la même avec la valeur Ct du mélange à bulles. Lorsque la concentration d'ARN diminue à 102 copies/ml, le mélange par agitation et le groupe témoin ne présentent aucune valeur de Ct tandis que la méthode de mélange par bulles obtient toujours une valeur Ct de 36,9, ce qui est inférieur à la valeur Ct seuil de 38. Les résultats montrent l'avantage du mélange par bulles, qui est également démontré dans d'autres publications60 et cela peut également expliquer la raison pour laquelle la plateforme FAST-POCT a une sensibilité légèrement supérieure à celle de la RT-PCR conventionnelle. La figure 5b montre les résultats des tests PCR pour des échantillons d'ARN IBV purifiés, avec une concentration allant de 101 à 106 copies/ml. Les résultats sont similaires au test IAV, qui a atteint R2 = 0,994 et LOD de 102 copies/ml.

a Résultats des tests PCR pour le virus de la grippe A (IAV) avec une concentration d'IAV allant de 106 à 101 copies/ml en utilisant le tampon TE comme contrôle négatif (NC). (i) Profil de fluorescence en temps réel. (ii) La courbe d'étalonnage linéaire entre la concentration logarithmique d'ARN IAV et le seuil de cycle (Ct) pour la technique de test FAST et conventionnelle. (iii) Images de fluorescence de FAST-POCT avec IAV après 40 cycles. b, résultats des tests PCR pour le virus de la grippe B (IBV) avec (i) profil de fluorescence en temps réel. (ii) la courbe d'étalonnage linéaire et (iii) les images de fluorescence de FAST-POCT avec IBV après 40 cycles. La limite inférieure de détection (LOD) pour l'IAV et l'IBV utilisant la plateforme FAST-POCT est de 102 copies/ml, ce qui est inférieur à celui des méthodes conventionnelles (103 copies/ml). c Résultats de détection multiples pour IAV et IBV. GAPDH a été utilisé pour le contrôle positif et le tampon TE a été utilisé pour le contrôle négatif afin d'éviter une éventuelle contamination et une amplification de fond. Quatre types d'échantillons différents peuvent être identifiés : (1) échantillon négatif (« IAV-/IBV- ») avec seulement GAPDH ; (2) infectés par IAV ("IAV+/IBV-") avec IAV et GAPDH ; (3) infectés par IBV ("IAV-/IBV+") avec IBV et GAPDH ; (4) Infecté par IAV/IBV ("IAV+/IBV+") avec IAV, IBV et GAPDH. Les lignes pointillées indiquent la ligne de seuil. n = 6 expériences biologiquement indépendantes ont été menées avec les données indiquées sous la forme ± sd Les données sources sont fournies sous forme de fichier Source Data.

La figure 5c montre les résultats des tests multiplexés pour IAV/IBV. Ici, les lysats viraux ont été utilisés comme solution d'échantillon au lieu des ARN purifiés, avec quatre amorces ciblant IAV, IBV, GAPDH (contrôle positif) et un tampon TE (contrôle négatif) ajoutés aux quatre chambres de réaction différentes de la plate-forme FAST-POCT. Le contrôle positif et négatif utilisé ici sert à prévenir une éventuelle contamination et une amplification de fond. Le test a été classé en quatre groupes : (1) échantillon négatif ("IAV-/IBV-") avec seulement GAPDH ; (2) infectés par IAV ("IAV+/IBV-") avec IAV et GAPDH ; (3) infectés par IBV ("IAV-/IBV+") avec IBV et GAPDH ; (4) Infecté par IAV/IBV ("IAV+/IBV+") avec IAV, IBV et GAPDH. La figure 5c montre que lorsqu'un échantillon négatif a été appliqué, la chambre de contrôle positif présentait une intensité de fluorescence ΔRn de 0,860 avec ΔRn d'IAV et d'IBV similaire à celle du contrôle négatif (0,002). Pour les groupes IAV+/IBV−, IAV−/IBV+ et IAV+/IBV+, les chambres IAV/GAPDH, IBV/GAPDH et IAV/IBV/GAPDH présentaient respectivement une intensité de fluorescence significative, les autres chambres montrant des intensités de fluorescence au niveau de fond même après 40 thermocycles. À partir des tests ci-dessus, la plateforme FAST-POCT montre une spécificité importante et nous permet de pathotyper différents virus grippaux à la fois.

Pour valider l'applicabilité clinique de FAST-POCT, nous avons testé 36 échantillons cliniques (échantillons d'écouvillonnage nasal) provenant de patients (n = 18) avec IBV et d'individus témoins (n ​​= 18) sans IBV (Fig. 6a). Les informations sur les patients sont disponibles dans le tableau supplémentaire 3. Le statut d'infection par l'IBV a été confirmé de manière indépendante et les protocoles d'étude ont été approuvés par le premier hôpital affilié de l'Université du Zhejiang (Hangzhou, Zhejiang). Chaque échantillon de patients a été divisé en deux catégories. Une aliquote a été traitée à l'aide du FAST-POCT et l'autre à l'aide d'un système PCR de paillasse (SLAN-96P, Chine). Les deux tests ont utilisé les mêmes kits de purification et de test. La figure 6b montre les résultats de FAST-POCT et de la PCR conventionnelle avec transcription inverse (RT-PCR). Nous avons comparé l'intensité de fluorescence (FAST-POCT) avec -log2(Ct), où Ct est le seuil de cycle de la RT-PCR conventionnelle. Une bonne concordance entre ces deux méthodes a été observée. FAST-POCT et RT-PCR ont montré une forte corrélation positive avec les valeurs du coefficient de Pearson (r) de 0,90 (Fig. 6b). Nous avons ensuite évalué la précision diagnostique de FAST-POCT. En tant que mesures analytiques indépendantes, la distribution de l'intensité de fluorescence (FL) est fournie pour les échantillons positifs et négatifs (Fig. 6c). Les valeurs FL étaient significativement plus élevées (**** P = 3, 31 × 10−19; test t bilatéral) chez les patients atteints d'IBV que chez ceux des groupes témoins (Fig. 6d). Des courbes de caractéristique de fonctionnement du récepteur (ROC) ont ensuite été construites pour l'IBV. Nous avons constaté que la précision du diagnostic était excellente, avec une aire sous la courbe de 1 (Fig. 6e). Veuillez noter qu'en raison de la commande obligatoire de masques en Chine depuis 2020 en raison du COVID-19, nous n'avons pas trouvé de patients atteints d'IAV ; par conséquent, tous les échantillons cliniques positifs (c'est-à-dire les échantillons d'écouvillonnage nasal) ne concernent que l'IBV.

a Conception de l'étude clinique. Au total, 36 échantillons ont été analysés par plateforme FAST-POCT et RT-PCR conventionnelle, dont 18 échantillons de patients et 18 individus témoins sans grippe. b Évaluation de la concordance analytique entre FAST-POCT PCR et RT-PCR conventionnelle. Les résultats étaient positivement corrélés (r de Pearson = 0,90). c Niveaux d'intensité de fluorescence pour 18 patients avec IBV et 18 témoins. d Les valeurs de FL étaient significativement plus élevées chez les patients avec IBV (+) que chez les témoins (−) (****P = 3,31 × 10−19 ; test t bilatéral ; n = 36). Pour chaque boîte à moustaches, la marque noire centrale indique la médiane, et les lignes inférieure et supérieure de la boîte indiquent les 25e et 75e centiles, respectivement. Les moustaches s'étendent aux points de données min-max qui n'étaient pas considérés comme des valeurs aberrantes. e Courbes ROC. La ligne pointillée d indique le seuil estimé à partir de l'analyse ROC. L'ASC était de 1 pour l'IBV. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

Dans cet article, nous avons démontré un FAST, qui possède les caractéristiques souhaitées pour un POCT idéal. Les avantages de notre technologie incluent : (1) distribution multifonctionnelle (en cascade, simultanée, séquentielle et sélective), libération à la demande (libération rapide et proportionnelle à la pression appliquée) et fonctionnement robuste (sans fuite sous la vibration de 150 rad/min) ; (2) stockage à long terme (tests de durée de vie accélérée de 2 ans avec environ 0,3 % de perte de poids) ; (3) capacité à manipuler le liquide avec une large gamme de mouillabilité et de viscosité (viscosité aussi élevée que 5500 cp) ; (4) rentabilité (les coûts matériels estimés pour le dispositif PCR FAST-POCT sont d'environ 1 $). En combinant les unités de distribution multifonctionnelles, une plate-forme FAST-POCT intégrée a été démontrée et appliquée aux tests PCR des virus de la grippe A et B. L'IAV et l'IBV peuvent être détectés in situ avec 102 copies/ml de LOD, et le pathotypage en une étape de l'IAV et de l'IBV sur la plateforme FAST-POCT a été réalisé en 82 min. Les tests cliniques avec 36 échantillons d'écouvillons nasaux ont montré une bonne concordance de l'intensité de fluorescence avec la RT-PCR standard (coefficients de Pearson > 0,9). Parallèlement à ces travaux, diverses techniques biochimiques émergentes (c'est-à-dire les tests de thermocycle plasmonique, les tests immunologiques sans amplification et les tests fonctionnalisés par nanocorps) ont montré leur potentiel pour la POCT. Cependant, en raison de l'absence d'une plate-forme POCT entièrement intégrée et robuste, ces techniques nécessitent inévitablement des processus de prétraitement séparés (par exemple, l'extraction d'ARN44, l'incubation45 et le rinçage46), ce qui rend en outre le présent travail complémentaire à ces technologies pour obtenir des capacités POCT avancées avec les performances souhaitées d'"échantillon dans la réponse". Dans ce travail, bien qu'une pompe pneumatique utilisée pour activer les vannes FAST soit de petite taille et puisse être intégrée dans un instrument de paillasse (Figs. S9, S10), elle consomme toujours une énergie considérable et fait du bruit. En principe, la pompe pneumatique peut être remplacée par d'autres moyens pour un facteur de forme plus petit, comme l'utilisation d'une force électromagnétique ou de forces actionnées par le doigt. D'autres améliorations peuvent inclure, par exemple, la personnalisation de la cartouche pour des tests biochimiques différents et spécifiques, et l'adoption d'une nouvelle méthode de détection sans avoir besoin du système de chauffage/refroidissement, conduisant à une plate-forme POCT sans instrument pour les applications PCR. Nous pensons que la technique FAST proposée représente un potentiel pour établir une plate-forme universelle non seulement pour les tests biomédicaux, mais aussi pour la surveillance environnementale, l'inspection de la qualité des aliments, la synthèse des matériaux et les produits pharmaceutiques, étant donné que la plate-forme FAST fournit un moyen de manipuler les fluides.

La collecte et l'utilisation d'échantillons d'écouvillonnage nasal humain ont été approuvées par le comité d'éthique du premier hôpital affilié de l'Université du Zhejiang (IIT20220330B). 36 échantillons d'écouvillonnage nasal ont été prélevés, impliquant 16 adultes < 30 ans, 7 adultes > 40 ans et 19 hommes, 17 femmes. Les données démographiques sont fournies dans le tableau supplémentaire 3. Le consentement éclairé a été obtenu de tous les participants. Les participants sont tous des personnes suspectées d'avoir la grippe et se sont portés volontaires pour se faire tester sans compensation.

Le substrat et la couverture de FAST ont été fabriqués à partir de matériaux à base d'acide polylactique (PLA) et ont été imprimés en 3D à l'aide d'une imprimante 3D Ender 3 Pro (Shenzhen Creality 3D Technology Co. Ltd.). L'adhésif double face a été acheté chez Adhesives Research, Inc., et le mode est 90880. Le film PET de 100 μm d'épaisseur a été acheté chez McMaster-Carr. Les adhésifs et les films PET ont tous deux été coupés à l'aide d'un cutter Silhouette Cameo 2 de Silhouette America, Inc. Le film élastique a été fabriqué à partir de matériau PDMS en utilisant une méthode de moulage par moulage. Tout d'abord, un cadre en PET d'une épaisseur de 200 μm a été découpé à l'aide d'un système laser et collé à une feuille de PMMA de 3 mm d'épaisseur à l'aide de rubans double face d'une épaisseur de 100 μm. Ensuite, un précurseur de PDMS (Sylgard 184 ; partie A : partie B = 10 : 1, Dow Corning) a été coulé dans le moule et l'excès de PDMS a été éliminé à l'aide d'une tige de verre. Lorsqu'il est soumis à 3 h de durcissement à 70 ° C, le film PDMS d'une épaisseur de 300 μm peut être décollé du moule.

Les images de la distribution multifonctionnelle, de la libération à la demande et des opérations robustes ont toutes été prises à l'aide d'une caméra à grande vitesse (Sony AX700 avec 1000 ips). L'agitateur orbital utilisé dans les tests de robustesse a été acheté auprès de SCILOGEX (SCI-O180). Un compresseur d'air a été utilisé pour générer la pression d'air, et plusieurs régulateurs de pression numériques de précision ont été utilisés pour ajuster la valeur de la pression. Le processus de test de comportement d'écoulement est le suivant. Une quantité donnée de liquide a été injectée dans le dispositif de test et une caméra à grande vitesse a été appliquée pour enregistrer le comportement de l'écoulement. Les images fixes ont ensuite été capturées à partir de la vidéo de comportement d'écoulement à des moments fixes et la zone restante a été calculée à l'aide du logiciel Image-Pro Plus, puis multipliée par la profondeur de la chambre pour calculer le volume. Des détails sur le système de test de comportement d'écoulement peuvent être trouvés dans la Fig. S4 supplémentaire.

50 μl de microbilles et 100 μl d'eau DI ont été injectés dans un dispositif de mélange à bulles. Les images des performances de mélange ont été prises par une caméra à grande vitesse toutes les 0,1 s avec une pression variant de 0,1 bar, 0,15 bar et 0,2 bar, respectivement. Les informations sur les pixels lors du mixage peuvent être obtenues à partir de ces images à l'aide d'un logiciel de traitement de photos (photoshop CS6). Et l'efficacité du mélange peut être obtenue en utilisant l'équation suivante53.

où M est l'efficacité de mélange, N est le nombre total de points de pixel d'échantillon, ci et \(\bar{c}\) sont la concentration normalisée et la concentration normalisée attendue. L'efficacité du mélange varie de 0 (0 %, sans mélange) à 1 (100 %, entièrement mélangé). Les résultats sont présentés dans la Fig. S6 supplémentaire.

Le kit de RT-PCR en temps réel IAV et IBV comprenant l'échantillon d'ARN IAV et IBV (numéro de catalogue : RR-0051-02/RR-0052-02, Liferiver, Chine), le tampon Tris-EDTA (tampon TE, numéro de catalogue : B541019, Sangon Biotech, Chine), le kit de purification d'ARN (numéro de catalogue : Z-ME-0010, Liferiver, Chine) et la solution GAPDH (numéro de catalogue : M5 91101, Sangon Biotech, Chine) pour le contrôle positif sont tous commerciaux. Le kit de purification d'ARN comprend une solution tampon de liaison, un lavage A, un lavage W, une solution d'élution, des microbilles magnétiques et AcrylCarrier. Le kit de RT-PCR en temps réel IAV et IBV comprend un mélange de test de PCR par fluorescence d'acide nucléique IFVA et une enzyme RT-PCR. 6 μl d'AcrylCarrier et 20 μl de microbilles magnétiques ont été ajoutés à la solution de tampon de liaison de 500 μl, qui a été secouée et ensuite la solution de microbilles a été obtenue. 21 ml d'éthanol ont été ajoutés aux lavages A et W, qui ont été secoués, après quoi les solutions de lavage A et de lavage W ont été obtenues, respectivement. 18 μl de mélange de test PCR de fluorescence d'acide nucléique IFVA et 1 μl d'enzyme RT-PCR ont ensuite été ajoutés à la solution TE de 1 μl, qui a été secouée et centrifugée pendant plusieurs secondes, produisant ainsi les amorces de 20 μl pour l'IAV et l'IBV.

Le processus de purification d'ARN suivant a été suivi : (1) Adsorption d'ARN. 526 μl de solution de microbilles ont été pipetés dans un tube à centrifuger de 1,5 ml, auquel a été ajouté un échantillon de 150 μl ; le tube a ensuite été secoué manuellement de haut en bas pendant 10 fois. Le mélange de 676 μl a été transféré sur la colonne d'affinité où il a été centrifugé pendant 60 s avec une vitesse de rotation de 1,88 × 104 g. La solution de déchets suivante a alors été abandonnée. (2) Première étape de lavage. 500 μl de solution de lavage A ont été ajoutés à la colonne d'affinité ; la centrifugation a eu lieu pendant 40 s avec une vitesse de rotation de 1,88 × 104 g, et la solution de déchets a ensuite été abandonnée. Ce processus de lavage a été répété deux fois. (3) Deuxième étape de lavage. 500 μl de solution de lavage W ont été ajoutés à la colonne d'affinité, puis centrifugés pendant 15 s avec la vitesse de rotation de 1,88 × 104 g, puis abandonnés par la suite. Ce processus de lavage a été répété deux fois. (4) Élution. 200 μl de solution d'élution ont été ajoutés à la colonne d'affinité, suivis d'une centrifugation pendant 2 min avec une vitesse de rotation de 1,88 × 104 g. (5) RT-PCR : la solution d'élution a été introduite dans 20 ul de solution d'amorce dans le tube PCR ; le tube a ensuite été placé dans un équipement de test PCR en temps réel (SLAN-96P) pour effectuer le processus RT-PCR. L'ensemble du processus de test a duré environ 140 min (la purification de l'ARN a duré 20 min et le test PCR a duré 120 min).

Une solution de microbilles de 526 μl, une solution de lavage A de 1 000 μl, une solution de lavage W de 1 000 μl, une solution d'élution de 200 μl et des solutions d'amorce de 20 μl ont été pré-ajoutées et stockées dans les chambres M, W1, W2, E et la chambre de test PCR après l'assemblage de la plate-forme. Ensuite, l'échantillon de 150 μl a été pipeté dans la chambre M et la plate-forme FAST-POCT a été insérée dans l'instrument de test illustré à la Fig. S9 supplémentaire. Après environ 82 minutes, les résultats des tests ont été obtenus.

Tous les résultats des tests sont présentés sous forme de moyennes ± écart-type après avoir répété au moins six fois à l'aide de plates-formes FAST-POCT distinctes avec des échantillons biologiquement indépendants, sauf indication contraire. Aucune donnée n'a été exclue des analyses. Les expériences n'étaient pas randomisées. L'enquêteur n'a pas été aveuglé à l'attribution des groupes au cours de l'expérience.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans les informations supplémentaires. Les données sources sont fournies avec ce document.

Tableau de bord de l'OMS sur le coronavirus (COVID-19). www.covid19.who.int. (2022).

Chagla, Z. & Madhukar, P. Les boosters COVID-19 dans les pays riches retarderont les vaccins pour tous. Nat. Méd. 27, 1659-1665 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Faust, L. et al. Dépistage du SRAS-CoV-2 dans les pays à revenu faible et intermédiaire : disponibilité et accessibilité financière dans le secteur privé de la santé. Les microbes infectent. 22, 511–514 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Organisation Mondiale de la Santé. Prévalence et incidence mondiales de certaines infections sexuellement transmissibles guérissables : aperçu et estimations. Genève : OMS, WHO/HIV_AIDS/ 2 https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/66818/WHO_HIV_AIDS_2001.02.pdf (2001).

Fenton, EM et al. Bandelettes de test à flux latéral multiplex fabriquées par mise en forme bidimensionnelle. ACS Appl. Mater. Inter. 1, 124-129 (2009).

Article CAS Google Scholar

Schilling, KM et al. Dispositifs analytiques microfluidiques à base de papier entièrement fermés. Anal. Chim. 84, 1579-1585 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Larpent, N. et al. Immunochromatographie compétitive sur papier couplée à une électrode modifiée par une enzyme pour permettre la surveillance sans fil et la détection électrochimique de la cotinine dans l'urine. Capteurs 21, 1659 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhu, X. et al. Utilisation d'un lecteur de glycémie pour détecter quantitativement les biomarqueurs de la maladie grâce à une plate-forme universelle de détection fluidique latérale intégrée au nanozyme. Biosens. Bioélectron. 126, 690–696 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bu, S. et al. Bandelette de test de grossesse pour la détection de bactéries pathogènes à l'aide de nanofleurs hybrides concanavaline A-gonadotrophine chorionique humaine-Cu3(PO4)2, séparation magnétique et lecture sur smartphone. Microchim. Acte. 185, 464 (2018).

Article CAS Google Scholar

Jiang, X., Waterland, M., Blackwell, L. & Partridge, A. Détermination de l'estriol 16-glucuronide dans l'urine humaine avec résonance plasmonique de surface et immunoessais à flux latéral. Anal. Méthodes 2, 368–374 (2010).

Article CAS Google Scholar

Syedmoradi, L. & Gomez, FA Tests sur papier au point de service dans le diagnostic des maladies. Bioanalyse 9, 841–843 (2017).

Martinez, AW et al. Télémédecine simple pour les régions en développement : téléphones avec appareil photo et appareils microfluidiques sur papier pour un diagnostic hors site en temps réel. Anal. Chim. 80, 3699-3707 (2008).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sameenoi, Y., Nongkai, PN, Nouanthavong, S., Henry, CS & Nacapricha, D. Sérigraphie polymère en une étape pour la fabrication de dispositifs analytiques à base de papier microfluidique (μPAD). Analyste 139, 6580 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yang, Y. et al. Un capteur portable gravé au laser pour une détection sensible de l'acide urique et de la tyrosine dans la sueur. Nat. Biotechnol. 38, 217-224 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Guan, A. et al. Dispositifs médicaux sur puces. Nat. Biomédical. Ing. 1, 0045 (2017).

Article CAS Google Scholar

Blicharz, TM et al. Dispositif à base de micro-aiguilles pour le prélèvement indolore en une seule étape d'échantillons de sang capillaire. Nat. Biomédical. Ing. 2, 151-157 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Michael, I. et al. Un fidget spinner pour le diagnostic au point de service de l'infection des voies urinaires. Nat. Biomédical. Ing. 4, 591–600 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhao, B. et al. Écoulement de liquide dirigé en surface à l'intérieur des microcanaux. Sciences 291, 1023-1026 (2001).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Liang, L. et al. Modification de la mouillabilité sélective en une étape des dispositifs microfluidiques en PMMA en utilisant une irradiation UV à gradient contrôlable (CGUI). Sens. Actuat. B-Chem. 273, 1508-1518 (2018).

Article CAS Google Scholar

Feng, S. et al. Pilotage directionnel liquide induit par cliquet capillaire tridimensionnel. Sciences 373, 1344-1348 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Safavieh, R., Tamayol, A. & Juncker, D. Serpentine et pompes capillaires de pointe pour les systèmes capillaires microfluidiques. Microfluide Nanofluide 18, 357–366 (2015).

Article CAS Google Scholar

Temiz, Y. & Delamarche, E. Sous-nanolitre, surveillance de flux en temps réel dans des puces microfluidiques à l'aide d'un appareil portable et d'un smartphone. Sci. Rep. 8, 10603 (2018).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Papadimitriou, VA, Segerink, LI, Berg, A. & Eijkel, JCT Vannes d'arrêt capillaires 3D pour la structuration polyvalente à l'intérieur des puces microfluidiques. Anal. Chim. Acte. 1000, 232-238 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Lillehoj, PB, Wei, F. & Ho, CM Un laboratoire sur puce autopompant pour la détection rapide de la toxine botulique. Puce de laboratoire 10, 2265–2270 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jänsson, C. et al. Chimie silane-dextrane sur des puces polymères à flux latéral pour les immunoessais. Puce de laboratoire 8, 1191–1197 (2008).

Article CAS Google Scholar

Madou, M. et al. Laboratoire sur un CD. Annu. Rév. Biomed. Ing. 8, 601–628 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kong, LX et al. Lab-on-a-CD : Un système de diagnostic moléculaire entièrement intégré. J. Lab. Autom. 21, 323–355 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Tang, M. et al. Un générateur de gradient de concentration linéaire basé sur la microfluidique centrifuge multicouche et son application dans les tests de sensibilité aux antimicrobiens. Puce de laboratoire 18, 1452–1460 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ding, Z. et al. Un spectrophotomètre en ligne sur une plate-forme microfluidique centrifuge pour la détermination et l'étalonnage des protéines en temps réel. Puce de laboratoire 16, 3604–3614 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Deng, Y. et al. Mécanisme d'actionnement de la force d'Euler pour la vanne de siphon dans des puces microfluidiques en forme de disque compact. Biomicrofluidique 8, 024101 (2014).

Article PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Kazemzadeh, A. et al. Vanne à vanne sur les plates-formes microfluidiques en rotation : un concept de commutateur/contrôle de débit. Sens. Actuat. B-Chem. 204, 149–158 (2014).

Article CAS Google Scholar

Asiaei, S. et al. Démonstration d'une méthode de pompage efficace, compacte et précise par inertie centrifuge pour laboratoire sur plateformes à disques. J. Micromech. Microeng. 29, 075001 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Fakhari, S. et al. Mise en œuvre de séries d'unités à double chambre pour le chargement séquentiel des liquides dans des plates-formes microfluidiques centrifuges. Microfluide Nanofluide 23, 53 (2019).

Article Google Scholar

Aeinehvand, MM et al. Vannes élastiques réversibles sur plateformes microfluidiques centrifuges. Laboratoire. Ébrécher. 19, 1090 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kazemzadeh, A., Eriksson, A., Madou, M. & Russom, A. Un micro-distributeur pour le stockage à long terme et la libération contrôlée de liquides. Nat. Commun. 10, 189 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Zehnle, S. et al. Pompage centrifuge-dynamique vers l'intérieur de liquides sur une plateforme microfluidique centrifuge. Puce de laboratoire 12, 5142–5145 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Rombach, M. et al. RespiDisk : une plate-forme de point de service pour la détection entièrement automatisée des agents pathogènes des infections des voies respiratoires dans les échantillons cliniques. Analyste 145, 7040–7047 (2020).

Article ADS PubMed Google Scholar

Czilwik, G. et al. Diagnostic moléculaire rapide des maladies infectieuses sur un système LabDisk centrifuge-microfluidique entièrement automatisé utilisant une PCR imbriquée hautement sensible avec préparation d'échantillons intégrée. Puce de laboratoire 15, 3749–3759 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Aeinehvand, MM et al. Vannes thermopneumatiques réversibles sur plateformes microfluidiques centrifuges. Puce de laboratoire 15, 3358–3369 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Clime, L., Brassard, D., Geissler, M. & Veres, T. Contrôle pneumatique actif des flux microfluidiques centrifuges pour les applications de laboratoire sur puce. Puce de laboratoire 15, 2343–2524 (2015).

Article Google Scholar

Yang, Y., Hsiung, S. & Lee, G. Une micropompe pneumatique incorporée avec une vanne normalement fermée capable de générer un débit de pompage élevé et une contre-pression élevée. Microfluide Nanofluide 6, 823–833 (2009).

Article CAS Google Scholar

Huang, S., Wu, M., Cui, Z., Cui, Z. & Lee, G. Une micropompe pneumatique en forme de serpentine à membrane avec des performances de pompage modulées par la résistance fluidique. J. Micromech. Microeng. 18, 045008 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, J. et al. Une puce intégrée capable d'effectuer un prétraitement d'échantillon et une amplification d'acide nucléique pour la détection du VIH-1. Biosens. Bioélectron. 41, 484–491 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cheong, J. et al. Détection rapide de l'ARN du SRAS-CoV-2 via l'intégration du thermocyclage plasmonique et de la détection de fluorescence dans un appareil portable. Nat. Biomédical. Ing. 4, 1159-1167 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, D. et al. Immunoessai à flux latéral rapide pour la détection par fluorescence de l'ARN du SRAS-CoV-2. Nat. Biomédical. Ing. 4, 1150–1158 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Guo, K. et al. Détection rapide d'une seule molécule des antigènes COVID-19 et MERS via des transistors électrochimiques organiques fonctionnalisés par des nanocorps. Nat. Biomédical. Ing. 5, 666–677 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Fuard, D. et al. Optimisation de substrats poly-di-méthyl-siloxane (PDMS) pour l'étude de l'adhésion et de la motilité cellulaires. Microélectron. Ing. 85, 1289-1293 (2008).

Article CAS Google Scholar

van Oordt, T., Barb, Y., Smetana, J., Zengerle, R. & von Stetten, F. Emballage en bâtonnet miniature - une technologie industrielle pour le pré-stockage et la libération de réactifs dans des systèmes de laboratoire sur puce. Puce de laboratoire 13, 2888–2892 (2013).

Article PubMed CAS Google Scholar

Aeinehvand, MM et al. Pompage de micro-ballons de latex dans des plateformes microfluidiques centrifuges. Puce de laboratoire 14, 988–997 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Roulstone, BJ, Wilkinson, MC & Hearn, J. Études sur les films de latex polymère : IV. Comparaison de la perméabilité des films en latex et en solvant. Polym. Int. 27, 305–308 (1992).

Article CAS Google Scholar

Cassidy, PE & Aminabhavi, TM Perméation de l'eau à travers les stratifiés élastomères : 3. Caoutchouc néoprène/styrène-butadiène. Polymère 27, 1396-1399 (1986).

Article CAS Google Scholar

Huang, PH et al. Un liquéfacteur d'expectoration acoustofluidique. Puce de laboratoire 15, 3125–3131 (2015).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, X., Li, T., Zeng, H., Hu, Z. & Fu, B. Enquête numérique et expérimentale sur des micromélangeurs à microcanaux serpentins. Int. J. Chaleur. Messe. Trans. 98, 131–14 (2016).

Article CAS Google Scholar

Stroock, AD et al. Mélangeur chaotique pour microcanaux. Sciences 295, 647–651 (2002).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Grumann, M., Geipel, A., Riegger, L., Zengerle, R. & Ducrée, J. Mélange en mode discontinu sur des plateformes microfluidiques centrifuges. Puce de laboratoire 5, 560–565 (2005).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kutter, JS, Spronken, IM, Fraaij, PL, Fouchier, RAM & Herfst, S. Voies de transmission des virus respiratoires chez l'homme. Courant. Avis. Virole. 28, 142-151 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lampejo, T. Influenza et résistance aux antiviraux : Un aperçu. EUR. J.Clin. Microbiol. 39, 1201-1208 (2020).

Article Google Scholar

Mitchell, SL & George, KS Évaluation du test COVID19 ID NOW EUA. J.Clin. Virole. 128, 104429 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Park, G.-S. et coll. Développement d'essais d'amplification isotherme médiée par une boucle de transcription inverse (RT-LAMP) ciblant le SRAS-CoV-2. J. Mol. Diag. 22, 729–735 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Burger, S., Schulz, M., von Stetten, F., Zengerle, R. et Paust, N. Mélange de bulles rigoureux entraîné par la flottabilité pour la microfluidique centrifuge. Puce de laboratoire 16, 219–390 (2016).

Article Google Scholar

Télécharger les références

CL et HJ reconnaissent le soutien de Vantronics LLC, le Dr Jun Fan du premier hôpital affilié de l'Université de Zhejiang (Hangzhou, Zhejiang) pour la collecte d'échantillons et la vérification indépendante. Une partie du travail expérimental a été menée en utilisant les installations de l'Université d'État de l'Arizona lorsque CL et HJ étaient dans cette institution. HJ reconnaît le soutien de l'Université Westlake.

École d'ingénierie, Université Westlake, Hangzhou, 310024, Chine

Chao Liang et Hanqing Jiang

Vantronics Hangzhou Intelligence Technology Ltd., Hangzhou, 311100, Chine

Zihang Yang

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

CL et HJ ont conçu les expériences. CL et ZY ont effectué des expériences et des analyses. CL et HJ ont effectué une analyse théorique et rédigé l'article.

Correspondance avec Hanqing Jiang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie le(s) relecteur(s) anonyme(s) pour leur contribution à la relecture par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International License, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, tant que vous donnez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Liang, C., Yang, Z. & Jiang, H. Une technologie d'interrupteur actionné par levier de film pour la manipulation multifonctionnelle, à la demande et robuste des liquides. Nat Commun 13, 4902 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32676-4

Télécharger la citation

Reçu : 13 décembre 2021

Accepté : 11 août 2022

Publié: 20 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-32676-4

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.