Projet ANR-13-JS08-0003 – MorphoBuildup : Auto-construction morphogénique de films polymériques contrôlée par électrochimie : surfaces micro-structurées et immobilisation d’enzymes
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Fouzia BOULMEDAIS (Institut Charles Sadron)
Partenaires : Institut Charles Sadron
Montant : 244999.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Auto-construction morphogénique de films polymériques contrôlée par électrochimie : surfaces micro-structurées et immobilisation d’enzymesL'impact des matériaux fonctionnels devient de plus en plus important dans le domaine de la santé. La fonctionnalisation par voie bottom-up (ascendante), utilisant le principe d’auto-assemblage, est considérée comme la voie la plus appropriée pour les obtenir. Dans le cadre de ce projet ANR, nous nous proposons de développer le concept innovant d’auto-construction morphogénique de films par électrochimie  et de démontrer l’application de l’auto-construction dans le domaine des biocapteurs.
Construction électrochimique de films de polymères appliquée l'immobilisation d'enzymeAfin de construire un film de polymère qui se construit uniquement près de la surface et en la présence simultanée de tous ses constituants, au moins un des constituants doit être sous une forme inactive. Ce n'est que près de la surface que ce constituant devra être activé de sorte qu'il interagisse avec les autres présent en solution. C'est l'idée de base sur laquelle est basée notre concept de construction morphogénique de films.Par électrochimie, un gradient de H + ou OH- sera généré près de la surface de l'électrode par hydrolyse de l'eau. Ces ions vont transformer un polymère présent en solution et induire des interactions électrostatiques avec un autre polymère chargé positivement. Nous nous tournerons vers la formation de films basée sur des liaisons covalentes en utilisant les mêmes morphogènes ou les propriétés d'oxydo-réduction de fonctions spécifiques, greffés sur les polymères. Enfin, l'auto-construction morphogénétique sera appliquée pour immobiliser les enzymes sur microélectrodes pour l'application de biocapteurs.
Auto-construction de films polymériques par un stimulus électriqueDans le contexte de ce projet ANR, nous suivrons quatre objectifs principaux, en utilisant le potentiel électrique comme stimulus:(i) étudier l'auto-assemblage morphogénique de polyélectrolytes(ii) étudier l'auto-construction de films par réticulation de polymères à la surface d'une électrode(iii) tirer partie de l'auto-construction de films pour immobiliser des polymères sur des réseaux de microélectrodes(iv) utiliser l'auto-construction de films pour immobiliser les enzymes pour l'application dans les biocapteurs
Résumé de la soumission : L'impact des matériaux fonctionnels dans la société devient de plus en plus important dans un grand nombre de domaines en particulier celui des matériaux pour la santé et l’énergie. La fonctionnalisation par voie « bottom-up » (ascendante), utilisant le principe d’auto-assemblage, est considérée comme la voie la plus appropriée pour les obtenir. Le monde biologique est une source d’inspiration dans ce domaine. Ainsi, la formation de tissus biologiques complexes est guidée par des gradients de molécules, les morphogènes auxquels les cellules répondent en fonction de leur concentration. Dans une étude préliminaire, nous avons étendu ce processus à l’auto-construction de films induite par la présence d’ions Cu+, les morphogènes, générée à la surface d’une électrode par un potentiel électrique. Le gradient de Cu+ induit une réticulation par chimie « click » de Huisgens entre les polymères et leur adsorption en surface de l’électrode.Dans le cadre de ce projet ANR, dénommé MorphoBuildup, nous nous proposons d’étudier et de développer le concept innovant d’auto-construction morphogénique de films par électrochimie en utilisant d’autres réactions chimiques et de démontrer son application dans le domaine des biocapteurs par immobilisation d’enzymes sur des microélectrodes. Deux types d’auto-construction de films seront abordés : l’électro-assemblage de polyélectrolytes et l’électro-réticulation de polymères. Dans les deux cas, l’auto-construction de film se fera avec deux types de polymères, P1 et P2, présents en solution aqueuse et en deux étapes: (i) l’électro-activation du polymère P1 suivie par (ii) l’auto-construction du film par attraction électrostatique ou réticulation entre le polymère activé P1 et le polymère P2. L’électro-activation sera basée sur un gradient de morphogènes, obtenus par électrochimie, en particulier les ions H+, OH- ou les électrons. Afin d’obtenir une réticulation rapide entre les polymères, trois réactions « click » connues ont été sélectionnées. La présence nécessaire de morphogènes, générés par un potentiel électrique, pour obtenir une auto-construction permettra de développer des films à topographies complexes sur des microélectrodes. L’utilisation de microélectrodes ouvrira la voie à la structuration de films qui constituent un des aspects majeur du projet ANR.Récemment, l’accent a été mis sur le développement de biocapteurs électrochimiques miniaturisés pour la multi-détection. Nous nous proposons ainsi d’utiliser des enzymes, tels que la glucose oxydase ou la lactate oxydase lors de l’auto-construction des films afin de déposer des nano-films fonctionnalisés sur des microélectrodes. L’utilisation d’électrodes fonctionnalisées par des enzymes est courante pour la détection du glucose ou du lactate dans le suivi du diabète ou de cancer.Par comparaison avec d’autres méthodes de fonctionnalisation d’électrodes, l’auto-construction morphogénique de films par formation de liaisons covalentes réunit plusieurs avantages : (i) la construction du film, effectuée dans l’eau, est localisée sur l’électrode adressée, (ii) il n’est pas nécessaire d’utiliser des produits chimiques additionnels ou des composés conducteurs, (iii) les films peuvent être fonctionnalisés par modification des polymères, (iv) le procédé est simple et rapide et (v) les films obtenus sont robustes.Depuis son arrivée en 2006 à l’Institut Charles Sadron (ICS), Fouzia Boulmedais a su développer au sein de son équipe d’accueil une nouvelle thématique sur les films de polyélectrolytes électro-répondant. Dans un travail préliminaire, elle a introduit en 2011 le concept d’auto-construction morphogénique de films basée sur la chimie click induite par électrochimie. Le financement de ce projet ANR donnera l’opportunité à sa jeune équipe, avec Loïc Jierry, de développer une thématique originale l’auto-construction de nanofilms ainsi que son application dans le domaine des biocapteurs au sein de l’ICS.
Résultats : Nous avons synthétisé une librairie de polymères sensibles au pH et au potentiel électrique.
Nous avons développé l'auto-construction morphogenique basée sur les interactions électrostatiques et réussi à immobiliser des enzymes actives sur des microélectrodes.
Perspectives : L'auto-construction de films polymériques par l'approche morphogénique est une approche simple et séduisante pour l'immobilisation contrôlée d'enzymes à la surface des électrodes. Au cours de l'auto-construction du film, les enzymes qui sont présents dans le voisinage immédiat de la surface de l'électrode peuvent être incorporés physiquement dans le réseau de polymère en croissance ou chimiquement réticulés. Durant les deux dernières décennies, le développement de biocapteurs intégrés pour la détection de plusieurs espèces d'intérêt biologique est en pleine expansion. technologies de biopuces, à base de micro-réseaux, pourraient offrir une combinaison unique de capacités de performance et des fonctionnalités analytiques non disponibles dans tout autre système bioanalytique actuellement disponibles. Surveillance de l'environnement, de l'industrie alimentaire ou analyses cliniques nécessitent le développement d'outils sélectifs pour la détection de biomolécules. Les biocapteurs peuvent être considérés comme des outils complémentaires aux méthodes analytiques classiques (par exemple, de chromatographie en phase liquide à haute performance) en raison de leur caractéristique unique, leur simplicité inhérente, coût relativement faible, l'intervention rapide et la miniaturisation, ce qui permet une surveillance continue.
Publications et brevets : Electrochemical Nanoarchitectonics and Layer-by-Layer Assembly: from basics to future
Rydzek, Gaulthier; Ji, Qingmin; Li, Mao; Schaaf, Pierre; Hill, Jonathan P.; Boulmedais, Fouzia; Ariga, Katsuhiko
Nano Today (sous presse)
Nov. 2014	
Auto-assemblage de films de polyélectrolytes par l’approche morphogénique
Journée Nationale du Groupe Français des Polymères (GFP) 2014 – Saint-Malo