Brevet FR3026742A1 — publié le 20160408

La présente invention concerne le domaine du greffage d'une protéine sur un substrat, selon un motif défini optiquement. L'art antérieur connaît une publication de la demande internationale de numéro W02013/135844 (STUDER ou la publication), un dispositif de greffage micro-structuré de protéines sur un substrat ou d'impression photochimique. Dans la publication, un mélange en solution aqueuse d'une benzophénone (BP) et d'une protéine est illuminé par endroits selon un motif au-dessus d'un substrat et un transfert durable de la protéine aux endroits éclairés est obtenu, réalisant l'impression. Toutefois, le procédé décrit dans la publication effectue un transfert de la protéine sur le substrat, en présence de BP et de façon simultanée à l'éclairement. Ce dispositif implique une combinaison au même endroit d'un dispositif d'éclairement selon une image d'un motif sur le substrat et d'un dispositif micro-fluidique permettant d'amener une solution aqueuse contenant simultanément une protéine et une BP. Il en résulte un problème d'encombrement du système d'impression pour l'art antérieur ainsi qu'un risque d'endommager la protéine par l'action combinée de la benzophénone et de la lumière du dispositif d'éclairement. Idéalement, il serait utile d'imprimer un motif simplement adhésif pour la protéine, sans protéine adhérée, sur un substrat, au moyen du système d'éclairage, au sens d'un motif qui se révélerait postérieurement sur le substrat, au contact d'une solution aqueuse d'une protéine, par exemple fluorescente, la protéine s'accrochant préférentiellement aux parties illuminées dans le motif adhésif pour former un motif réel. Une telle solution est néanmoins conditionnée, pour une protéine, par la disposition d'un procédé apte à produire un motif adhésif latent ou révélé ultérieurement, qui soit imprimé sur un support recouvert d'une couche anti-salissures (en anglais : « antifouling ») pour les protéines, au sens d'une couche réalisée dans un matériau ne présentant pas d'accrochage des protéines sur ladite couche, à l'échelle de temps de la réalisation de l'impression qu'on se propose de réaliser. Un tel substrat recouvert de sa couche anti-salissures ou substrat anti-salissures peut être constitué notamment par un support comme un support rigide, dont un exemple est un verre de qualité optique, transparent pour la lumière du système d'éclairage ou comme un support mou dont un exemple est un PDMS, le verre ou le PDMS étant recouverts d'un matériau à brosse de polymères, ou polymère s'accrochant en brosse au support par chaînes de molécules, comme le PEG et le polyNipam. Les chaînes de polymères sont pour des substrats anti-salissures de ce type, accrochées à une de leurs extrémités au support et libres à l'autre extrémité comme les poils d'une brosse. La publication mentionnée n'est cependant pas dans l'art antérieur apte à produire des supports anti-salissures pour les protéines munis de motifs adhésifs pour les protéines mais sans protéines et permettant ainsi une impression ou adhésion ultérieure ou adhésion différée de protéines. D'autres techniques comme la photolithographie appliquée à un substrat anti-salissures pour les protéines au travers d'un masque utilisant l'ablation par laser de motifs de matériaux anti-salissures sur un substrat anti- salissures, permettent dans l'art antérieur d'obtenir des supports anti-salissures présentant des motifs permettant le greffage sélectif ultérieur d'une protéine sur le substrat, selon les zones éclairées du substrat, desquelles ont été enlevées, par l'énergie lumineuse, le matériau à anti-salissures ou brosse de polymère. L'interprétation de ces motifs dans l'art antérieur est qu'une ablation de matière est occasionnée par l'éclairage du substrat et que les différences de niveau produites permettent une image en creux de l'image réelle ultérieure. Lorsque ces différences sont observées, dans l'art antérieur, par la technique optique du contraste de phase, qui n'est sensible qu'au chemin optique, le motif adhésif peut être attribué de façon équivalente à une ablation de matière anti-salissures ou à un changement de nature du matériau modifiant son indice optique et procurant une adhésion préférentielle ultérieure des protéines sur les zones de chaînes de polymères ayant été éclairées. D'autres techniques qui permettent d'observer l'image latente (notamment microscopie par force atomique, ellipsométrie, Analyse X, etc...) permettent dans certains cas de prouver que l'image latente est due à une ablation totale de la couche de PEG pour ces techniques. L'art antérieur connaît ainsi des substrats anti-salissures munis de motifs et obtenus par des techniques d'ablation qui ne permettent pas de réaliser des gradients de concentration, l'ablation de la couche de PEG ou anti-salissures étant a priori totale. II serait finalement souhaitable dans l'art antérieur de disposer d'un procédé pour produire un support anti-salissures ou brosse de polymère présentant une adhésion proportionnelle ou continûment variable avec l'exposition de la brosse à une illumination, selon un motif, mais sans que des molécules soient nécessairement adhérées à la brosse simultanément à l'illumination mais plutôt de façon différée. Les définitions suivantes s'appliquent à la présente demande : «Motif adhésif» (en anglais « adhesive pattern ») : désigne un motif surfacique selon lequel certaines molécules, notamment des protéines (et surtout des anticorps), des nano-billes, des brins d'ADN (acide désoxyribonucléique) ou d'ARN ou des bactéries se répartissent de façon stable dans le temps sur un support recouvert par une couche anti-adhésive ou anti-salissures ou à brosse de polymère, en dehors dudit motif adhésif. Le motif étant défini en dehors d'une zone ou un ensemble de zones anti-adhésives ou anti-salissures (en anglais «antifouling » ou « anti-fouling »), un motif adhésif peut aussi être défini sur un substrat comme un ensemble de zones ou motifs qui sont plus adhésives pour les molécules d'intérêt, que la surface complémentaire de l'ensemble des zones sur le substrat. Une différence d'effet d'adhésion, nécessaire à l'existence d'un motif, peut être prédite pour une brosse de polymère, sans mise en contact avec une solution aqueuse d'une molécule, par au moins deux techniques disponibles dans l'art antérieur: La microscopie à force atomique qui permet de mettre en évidence une réduction de longueur des chaînes de polymère de la brosse, une telle réduction causant alors une réduction de l'effet anti-adhésif ou une augmentation de l'effet d'adhésion dans ces zones. La microscopie en contraste de phase, qui permet de mettre en évidence une variation de chemin optique à travers la brosse dans les zones plus adhésives, une telle variation étant alors associée à une variation d'effet d'adhésion. « Brosse de polymère)) : désigne une couche nanométrique (c'est à dire dont l'épaisseur est à l'échelle nanométrique, soit typiquement entre mm et 100 nm) et anti-salissures, notamment pour les protéines, les nano-billes, les brins d'ADN et les bactéries, une telle couche nanométrique étant présente à la surface d'un support pour former un substrat anti-salissures. Une telle brosse est estimée, à la date de la présente demande, être constituée d'un ensemble de chaînes de polymère greffées à la surface du support, cet ensemble s'étendant dans une zone d'épaisseur comprise entre 1 nm et 20 nm à la surface du support pour du PEG et entre mm et 30nm pour du polyNIPAM. Il est estimé qu'entre mm et 20 nm, une telle brosse possède des propriétés d'anti-adhésion ou d'anti- salissure ou d'anti-salissures, notamment pour les protéines, les nano-billes, les brins d'ADN ou les bactéries. Une couche de polyéthylèneglycol ou « PEG » ou une couche de poly(N-isopropyl acrylamide) ou polyNIPAM sont des exemples de brosses de polymères. « épaisseur)) désigne pour une brosse de polymère la mesure de la distance au support des extrémités libres des chaînes de polymère constituant la brosse. Par exemple, pour du PEG, l'épaisseur de la couche est contrôlée par la longueur des chaines de PEG, c'est à dire le nombre de monomères d'Ethylène Glycol composant ces chaines. Ces chaînes peuvent être notamment inclinées par rapport au substrat ou tassées ou modifiées de toute manière semblable à une action sur les poils d'une brosse pour imprimer à la surface libre de la brosse un relief ou variation d'épaisseur. Dans ce contexte, l'invention concerne un procédé pour imprimer un motif adhésif, sur une brosse d'un polymère s'étendant à la surface d'un support en une couche nanométrique anti-salissures, le procédé comprenant les étapes suivantes: - mettre la couche en contact avec une première solution aqueuse contenant une benzophénone, - puis éclairer la couche, par un rayonnement à une longueur d'onde comprise dans le spectre d'absorption de la benzophénone, selon le motif et selon une énergie surfacique. Dans des variantes du procédé : - l'épaisseur de la couche est comprise entre mm et 20 nm. - la longueur d'onde est choisie entre 300nm et 400m. - le polymère est un polyéthylène glycol (PEG). - le polymère est un polyNIPAM. - le support est un verre. - le support est un PolyDiMethylSiloxane (PDMS) - l'énergie surfacique de l'éclairage communiquée à la couche de PEG est comprise entre 10mJ/mm2 et 1000mJ/mm2. - l'énergie surfacique de l'éclairage communiquée à la couche de polyNIPAM est comprise entre 100mJ/mm2 et 10000mJ/mm2. - le module d'Young du support en PDMS est inférieur à 15kPa. L'invention concerne aussi un procédé comme ci-dessus, pour imprimer un motif d'une protéine sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - puis mettre la couche en contact avec une seconde solution aqueuse contenant la protéine. L'invention concerne aussi un procédé comme ci-dessus, pour imprimer un motif de nano-billes sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - mettre la couche en contact avec une seconde solution contenant les nano-billes. L'invention concerne aussi un procédé comme ci-dessus, pour imprimer un motif de brins d'ADN sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - mettre la couche en contact avec une seconde solution contenant les brins d'ADN. L'invention concerne aussi une application du procédé pour imprimer un motif adhésif, à la réalisation d'un motif adhésif présentant un gradient d'adhésion à la surface du support, par variation spatiale de l'énergie surfacique L'invention sera mieux comprise en lien avec la liste des figures ci-dessous dans laquelle : La figure 1 représente en coupe, un substrat anti-salissures composé d'un support en verre et d'une couche de matériau anti-salissures notamment pour les protéines, les nano-billes ou les brins d'ADN, c'est-à-dire une brosse de polymère greffée ou accrochée au support. Le substrat est recouvert d'une goutte d'une solution aqueuse contenant de la benzophénone sur tout ou partie de la brosse de polymère. Une zone AB de la couche, recouverte de benzophénone, est illuminée à travers le support (à travers la goutte serait aussi praticable) par un rayonnement comprenant des longueurs d'onde dans le spectre d'absorption de la benzophénone soit un rayonnement entre 300 nm et 400 nm. La figure 2 représente le substrat rincé de la goutte de la figure 1 et présentant une image latente représentée de façon imagée par un creux dans la surface du matériau anti-salissures au niveau de la zone AB. Un tel matériau est apte à être utilisé pour imprimer notamment un motif d'une protéine, de nano-billes ou des brins d'ADN ou d'ARN selon un motif correspondant à la surface de la zone AB. En effet, l'illumination de la brosse de polymère en présence de Benzophénone, rend potentiellement adhésive la brosse de polymère dans la zone AB et permet l'adhésion ultérieure notamment d'une protéine, de nano-billes ou de brins d'ADN, en mettant en contact ultérieurement la couche de brosse de polymère, respectivement avec notamment une solution de la protéine, une solution de nano-billes ou de brins d'ADN. Une illumination selon un ensemble de zones comme AB permet ainsi la réalisation d'un motif adhésif ou un motif adhésif de molécules sur une brosse de polymère, pour des molécules pour lesquelles la brosse est normalement non-adhésive. Dans un premier mode de réalisation, il est divulgué en référence à la figure 1 pour les numéros de référence entre parenthèses, un substrat anti-salissures composé d'un support en verre (1) et d'une couche (2) d'un matériau à brosse de polymère (en anglais : « polymer brush ») qui est, dans ce premier mode, du PEG ou du polyNIPAM. Dans ce premier mode, un rayonnement (3) éclaire la couche (2) selon une zone AB (AB), ici à travers un support (1) choisi transparent pour le rayonnement utilisé, une goutte (4) d'une solution aqueuse de benzophénone est déposée sur la couche(2) en recouvrant la zone AB (AB). De façon équivalente, il serait possible, d'éclairer la couche à travers la goutte (4), selon la même zone AB. Le rayonnement utilisé comporte au moins une longueur d'onde comprise dans le spectre d'absorption de la benzophénone, spectre qui s'étend utilement en pratique, entre 300nm et 400 nm. Préférentiellement, on utilisera dans cet intervalle un rayonnement de longueur d'onde inférieure à 390nm, dans ce cas, le temps d'exposition de la couche au rayonnement sera minimisé. Moins il y aura d'absorption de la benzophénone à la longueur d'onde choisie et plus la puissance de la source lumineuse devra être importante, ou plus le temps d'exposition de la zone éclairée devra être long, la dose de radiation reçue, égale au produit de la puissance lumineuse par le temps d'exposition à la lumière, étant le paramètre gouvernant l'obtention de l'effet de l'invention. Aucune protéine à greffer n'étant en solution, le rayonnement sera si besoin est de puissance supérieure à une puissance provoquant la destruction d'une protéine à greffer ultérieurement et ne sera limité que par la densité surfacique d'énergie lumineuse acceptée par la couche, sans dégradation. Toutefois, la présence de benzophénone permet pour du PEG d'utiliser des puissances optiques 10 à 100 fois moindres que pour des techniques d'ablation ou de masquage. Une densité d'énergie comprise entre 10mJ/mm2 et 1000mJ/mm2 est ainsi utilisable pour obtenir l'apparition d'un motif adhésif sur du PEG. L'invention peut ainsi se contenter d'une source produisant un éclairement de 2mW sur un carré de 400 microns de côté pour une longueur d'onde d'une raie ultraviolette à 372nm d'un laser à semi-conducteur. Pour du polyNipam sur un support de PDMS, une densité d'énergie utilisable est comprise entre 100mJ/mm2 et 10000mJ/mm2. La même source laser à semi-conducteur peut encore être utilisée en multipliant simplement les temps d'exposition pour du PEG par 10. Dans une première étape du procédé de ce mode de réalisation, on met en contact le substrat antisalissures avec une goutte de solution aqueuse de benzophénone, puis dans une deuxième étape on éclaire une zone AB de la couche anti-salissures du substrat avec la source lumineuse ultraviolette. Un système optique quelconque permettant la focalisation de l'énergie de la source sur la zone AB ou sur un ensemble de zones en même temps est utilisable et de tels systèmes sont connus de l'art antérieur. Un microscope avec une matrice de micro-miroirs est ainsi envisageable pour réaliser le système d'éclairage pour ce mode de réalisation. De même, la goutte peut être remplacée par un film de solution aqueuse de benzophénone amené en contact avec la couche puis rincé après éclairement par des moyens micro-fluidiques connus. La figure 2 représente la brosse de polymère, formée en couche nanométrique, ainsi rincée de la goutte de la solution de benzophénone et munie de façon imagée, d'un motif latent, en creux lui aussi nanométrique quant à sa profondeur, au niveau de la zone AB. Ce motif en creux ou latent nécessite pour être révélé d'être mis ultérieurement en contact avec des molécules ou des ensembles moléculaires susceptibles d'adhérer au support au niveau de ce creux dans une brosse de polymère (protéines, nano-billes, brins d'ADN, bactéries, ...), l'adhésion de ces molécules selon le motif latent se produit alors, en présence de ces molécules en solution aqueuse, au niveau des zones de la couche qui ont été éclairées (ici AB) en présence de benzophénone. Il se forme ainsi un motif réel de molécules sur la brosse. Notamment si les molécules sont fluorescentes, il est possible d'en faire ensuite une image par des techniques connues de l'art antérieur pour prouver le résultat de l'adhésion. Toutefois, même sans effectuer une mise en contact avec une solution aqueuse, par exemple de protéines, il est possible de prédire après insolation de la brosse que l'effet de l'invention sera obtenu, et ce indépendamment de la réalisation d'un motif réel ultérieur, en mesurant après illumination, s'il existe des creux de profondeur nanométrique dans la brosse, aux endroits illuminés, au moyen d'un microscope à force atomique (AFM) ou en observant s'il existe des variations de chemin optique dans la brosse optiquement en microscopie à contraste de phase, à ces mêmes endroits. Il est ainsi possible de sélectionner sans autre expérimentation, les brosses de polymères adaptées au procédé de l'invention, notamment comme étant celles pour lesquelles une réduction de la longueur des chaînes de polymères de la brosse est observée après illumination en présence de benzophénone. Dans un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif de la figure 2 est mis en contact avec une solution aqueuse d'une protéine ou une solution aqueuse de nano-billes. Le choix de la nature des protéines ou des nano-billes est effectué parmi les protéines et les nano-billes susceptibles d'adhérer au support afin d'obtenir une image réelle la plus durable possible. Il est ainsi possible avec le procédé de ce second mode, d'obtenir une image réelle de la zone AB par exemple en utilisant une protéine fluorescente, mais plus généralement un motif d'une protéine sur le substrat anti-salissures pour les protéines qui a été utilisée. De plus, les propriétés sous illumination des substrats anti-salissures permettent de réaliser une fluorescence de valeur continûment variable avec l'éclairement ou la dose de radiation optique reçue par la zone AB et plus généralement une concentration de protéines, de nano-billes ou de brins d'ADN, continûment variable avec l'éclairement dans cette zone, même si cette zone correspond à la limite de résolution du système optique d'éclairage, sans recours à des densités de points binaires pour simuler des concentration variables de protéines. Il est ainsi possible d'appliquer l'invention à la réalisation de gradients d'adhésion dans une direction de concentration par exemple d'une protéine, de nano-billes ou de brins d'ADN, le long de la surface du substrat ou de la couche anti-salissures, en alignant bout à bout plusieurs zones de types AB, et en faisant varier l'énergie surfacique délivrée à ces zones, par exemple en les éclairant avec des doses surfaciques (en J/m2) variables , lors de l'étape d'éclairement de la brosse de polymère en présence de benzophénone ou d'impression de l'image latente ou motif adhésif. Par exemple, un effet adhésif continûment variable pour des protéines, a été obtenu par illumination à dose variable en présence de benzophénone sur une brosse de PEG, pour une diminution d'épaisseur comprise entre 0 nm de réduction (pas d'adhésion ou zone hors-motif) et 2 nm de réduction (adhésion maximale) pour des brosses de polymères de PEG d'épaisseur estimée à 5 nm en dehors des zones d'adhésion. Dans les modes de réalisation présentés, une gamme de concentration en millimoles de benzophénone par litre de solution aqueuse (mmo1/1) de 5 mmo1/1 à 50 mmo1/1, a été utilisée. L'invention est susceptible d'application industrielle dans le domaine de la production de substrat pour l'impression de motifs adhésifs d'une protéine sur une brosse de polymère. REVENDICATIONS1. Procédé pour imprimer un motif adhésif, sur une brosse d'un polymère s'étendant à la surface d'un support (1) en une couche (2) nanométrique anti-salissures, le procédé comprenant les étapes suivantes: - mettre la couche(2) en contact avec une première solution aqueuse (4) contenant une benzophénone, - puis éclairer la couche, par un rayonnement (3) à une longueur d'onde comprise dans le spectre d'absorption de la benzophénone, selon le motif et selon une énergie surfacique. [2] Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'épaisseur de la couche est comprise entre mm et 20 nm. [3] Procédé selon la revendication 2 dans lequel la longueur d'onde est choisie entre 300nm et 400m. [4] Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit polymère est un polyéthylène glycol (PEG). [5]Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit polymère est un polyNIPAM. [6] Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit support est un verre. [7] Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit support est un PolyDiMethylSiloxane (PDMS). [8] Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'énergie surfacique de l'éclairage communiquée à la couche de PEG est comprise entre 10mJ/mm2 et 1000m1/mm2. [9] Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'énergie surfacique de l'éclairage communiquée à la couche de polyNIPAM est comprise entre 100mJ/mm2 et 10000mJ/mm2. [10] Procédé selon la revendication 7 dans lequel le module d'Young du PDMS est inférieur à 15kPa. [11] Procédé selon la revendication 1, pour imprimer un motif d'une protéine sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - puis mettre la couche en contact avec une seconde solution aqueuse contenant la protéine. [12] Procédé selon la revendication 1, pour imprimer un motif de nana-billes sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - mettre la couche en contact avec une seconde solution contenant les nana-billes.[13] Procédé selon la revendication 1, pour imprimer un motif de brins d'ADN sur la brosse du polymère, comprenant les étapes supplémentaires suivantes : - rincer pour supprimer le contact entre la couche et la première solution - mettre la couche en contact avec une seconde solution contenant les brins d'ADN. [14] Application du procédé selon la revendication 1 à la réalisation d'un motif adhésif présentant un gradient d'adhésion à la surface du support, par variation spatiale de l'énergie surfacique.