(57)【要約】【解決手段】本発明は、線状重合体の鎖を含んで鎖の各々にカーボンナノチューブがπ−π相互作用によって結合している可撓性の導電性薄膜から切り取られた少なくとも２つのペレット(37)と、酵素、金属触媒、大環状触媒及び酸化還元媒介物質を含む群から選択されてペレット間に捕捉されている触媒とを有している電気化学リアクタブロックに関する。
2018529203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学リアクタブロックを製造する方法であって、
線状重合体の鎖を含んで、前記鎖の各々にカーボンナノチューブがπスタッキングによって結合している可撓性の導電性薄膜(36)を形成する工程、
前記導電性薄膜からペレット(37)を切り取る工程、及び
前記ペレットを積層して、水及び触媒の存在下で１平方センチメートル当り約５〜10トンの圧力を積層されたペレットに加える工程
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
可撓性の導電性薄膜を形成する工程は、
カーボンナノチューブ(24)と、その少なくとも一部がπ共役基を有する一連の官能基(28)を夫々保持する線状重合体の鎖(26)とを含む懸濁液(20)を準備する工程、及び
前記懸濁液(20)を真空濾過して、前記カーボンナノチューブ(24)がπスタッキングによって結合している前記鎖(26)の導電性薄膜(36)を得る工程
を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記触媒を、酵素、金属触媒、大環状触媒及び酸化還元媒介物質を含む群から選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記線状重合体を、ポリノルボルネン、ポリビニルピロリドン及びポリスチレンスルホン酸ナトリウムを含む群から選択することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
π共役基(30)を有する前記官能基(28)を、ポルフィリン、フタロシアニン、ピレン、ベンゼン、インドール、アズレン、フェノチアジン及びナフタレンを含む群から夫々選択することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記線状重合体の同一の鎖(26)の２つの連続したπ共役基(30)が、前記カーボンナノチューブ(24)の長さより短い距離、離れていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記線状重合体の鎖(26)の夫々の長さが0.1 μｍより長いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
線状重合体の鎖を含んで、前記鎖の各々にカーボンナノチューブがπスタッキングによって結合している可撓性の導電性薄膜(36)から切り取られた少なくとも２つのペレット(37)と、
酵素、金属触媒、大環状触媒及び酸化還元媒介物質を含む群から選択されて前記ペレット間に捕捉されている触媒と
を有していることを特徴とする電気化学リアクタブロック。
【請求項９】
糖及び酸素を含む液状媒体に浸されるように構成されるバイオ燃料電池のカソードを形成しており、前記触媒はラッカーゼであることを特徴とする請求項８に記載の電気化学リアクタブロック。
【請求項１０】
糖及び酸素を含む液状媒体に浸されるように構成されるバイオ燃料電池のアノードを形成しており、前記触媒はグルコース酸化酵素であることを特徴とする請求項８に記載の電気化学リアクタブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学リアクタに閉じ込められた触媒と電気化学リアクタが浸されている液状媒体に存在する化合物との反応が生じ得るレベルで、電気化学リアクタのブロックを製造する方法に関する。この反応により、例えば、電気化学リアクタの変形、電位の発生又は電気化学リアクタと相互に作用する化合物の化学変化がもたらされ得る。電気化学リアクタはバイオリアクタであってもよい。
【背景技術】
【０００２】
電位を生じさせるバイオリアクタが、糖−酸素タイプ、例えばグルコース−酸素のバイオ燃料電池又はバイオセンサのバイオ電極を形成し得る。
【０００３】
例えばバイオリアクタと相互に作用する化合物の化学変化を引き起こすバイオリアクタが、例えばグルコースを、例えばバイオリアクタが埋め込まれる有機体により除去される化合物に変化させることによりグルコースキラーを形成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明及び現状の技術が主にバイオ電極に関して本明細書に記載されているが、本発明は、生体内に埋め込み可能なバイオリアクタだけでなく、あらゆる電気化学リアクタに適用されることを理解すべきである。
【０００５】
様々なタイプの固体状のバイオ電極が先行技術に記載されている。例えば、仏国特許出願第10／52657 号明細書（B10272）には、黒鉛のような導電性材料と、酵素と、酸化還元媒介物質と、場合によっては導電性高分子とを圧縮することによって得られる電極ペレットが記載されている。電極ペレットは、厚さが0.5 mmより大きく直径が0.5 cmより大きい円盤の形状を有する。このようなペレットはバイオ電極として使用され得るが、ペレットの剛性及び嵩高さにより、特に体積が小さい身体部分、例えば血管での使用が制限される。
【０００６】
仏国特許出願第10／56672 号明細書（B10419）には、カーボンナノチューブ及び酵素を含む溶液中の混合物を圧縮することによって得られる電極ペレットが記載されている。
【０００７】
2013年２月に発表された雑誌「Composites Part B: Engineering」のvolume 45 におけるQian Jiang等著，「Plasma functionalization of bucky paper and its composite with phenylethynyl-terminated polyimide」の論文には、カーボンナノチューブ及びポリイミドの混合物である導電性薄膜の製造が記載されている。
【０００８】
これらの様々な反応には不利点があり、特に寿命が制限される。
【０００９】
これらの不利点の少なくとも一部を克服する電気化学リアクタを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、実施形態は、電気化学リアクタブロックを製造する方法であって、
線状重合体の鎖を含んで、前記鎖の各々にカーボンナノチューブがπスタッキングによって結合している可撓性の導電性薄膜を形成する工程、
前記導電性薄膜からペレットを切り取る工程、及び
前記ペレットを積層して、水及び触媒の存在下で１平方センチメートル当り約５〜10トンの圧力を積層されたペレットに加える工程
を有することを特徴とする方法を提供する。
【００１１】
実施形態によれば、可撓性の導電性薄膜を形成する工程は、
カーボンナノチューブと、その少なくとも一部がπ共役基を有する一連の官能基を夫々保持する線状重合体の鎖とを含む懸濁液を準備する工程、及び
前記懸濁液を真空濾過して、前記カーボンナノチューブがπスタッキングによって結合している前記鎖の導電性薄膜を得る工程
を有する。
【００１２】
実施形態によれば、前記触媒を、酵素、金属触媒、大環状触媒及び酸化還元媒介物質を含む群から選択する。
【００１３】
実施形態によれば、前記線状重合体を、ポリノルボルネン、ポリビニルピロリドン及びポリスチレンスルホン酸ナトリウムを含む群から選択する。
【００１４】
実施形態によれば、π共役基を有する前記官能基を、ポルフィリン、フタロシアニン、ピレン、ベンゼン、インドール、アズレン、フェノチアジン及びナフタレンを含む群から夫々選択する。
【００１５】
実施形態によれば、前記線状重合体の同一の鎖の２つの連続したπ共役基が、前記カーボンナノチューブの長さより短い距離、離れている。
【００１６】
実施形態によれば、前記線状重合体の鎖の夫々の長さが0.1 μｍより長い。
【００１７】
実施形態は、線状重合体の鎖を含んで、前記鎖の各々にカーボンナノチューブがπスタッキングによって結合している可撓性の導電性薄膜から切り取られた少なくとも２つのペレットと、酵素、金属触媒、大環状触媒及び酸化還元媒介物質を含む群から選択されて前記ペレット間に捕捉されている触媒とを有していることを特徴とする電気化学リアクタブロックを提供する。
【００１８】
実施形態によれば、前記電気化学リアクタブロックは、糖及び酸素を含む液状媒体に浸されるように構成されるバイオ燃料電池のカソードを形成しており、前記触媒はラッカーゼである。
【００１９】
実施形態によれば、前記電気化学リアクタブロックは、糖及び酸素を含む液状媒体に浸されるように構成されるバイオ燃料電池のアノードを形成しており、前記触媒はグルコース酸化酵素である。
【００２０】
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】可撓性の導電性薄膜を製造する方法の実施形態の工程を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】可撓性の導電性薄膜を製造する方法の実施形態の工程を概略的に示す図である。
【図１Ｃ】可撓性の導電性薄膜を製造する方法の実施形態の工程を概略的に示す図である。
【図２】図1A〜1Cの方法に従って形成された可撓性の導電性薄膜の構造を概略的に示す図である。
【図３】図1Cの導電性薄膜を再度示す図である。
【図４】薄膜から切り取られたペレットの積層体の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に様々な図面は正しい縮尺で示されていない。明瞭化のために、記載された実施形態の理解に有用な要素のみが示され詳述されている。
【００２３】
図1A〜1Cは、可撓性の導電性薄膜の実施形態の連続的な工程を概略的に示す。
【００２４】
図1Aに示されている工程では、カーボンナノチューブ24及び線状重合体の鎖26を溶媒22中に含む懸濁液20を準備する。溶媒22は疎水性であることが好ましい。溶媒は、ジメチルホルムアミド(DMF) 、テトラヒドロフラン(THF) 、N-メチル-2- ピロリドン(NMP) 、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジクロロメタン、ニトロベンゼン及びクロロホルムを含む群から選択されてもよい。線状重合体の鎖26は夫々、π共役基30を有する一連の官能基28を保持する。カーボンナノチューブ24は、カーボンナノチューブのπ共役基の電子の可動性により導電性である。従って、線状重合体の鎖26のπ共役基30が、カーボンナノチューブ24のπ共役基にπスタッキングによって結合し得る。
【００２５】
カーボンナノチューブ24は単壁又は多壁のナノチューブであり、100 nm〜５μｍの範囲の長さを有してもよい。π共役基30を有する官能基28は夫々、例えば、ポルフィリン、フタロシアニンのような大環状化合物であるか、又はピレン、ベンゼン、インドール、アズレン、フェノチアジン、ナフタレンのような芳香族化合物である。線状重合体は、ポリノルボルネン、ポリビニルピロリドン(PVP) 及びポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS) を含む群から選択されてもよい。同一の鎖26の２つの連続したπ共役基30間の距離が、カーボンナノチューブ24の長さより短いことが好ましい。この距離は、例えば、長さが200 〜500 nmのナノチューブでは５〜50nmの範囲内である。線状重合体の鎖26の長さが、複数の官能基28、例えば少なくとも３つの官能基28、好ましくは少なくとも50の官能基28を保持すべく選択されている。鎖の長さは、0.1 μｍより長くてもよく、好ましくは10μｍより長くてもよい。懸濁液20中でのカーボンナノチューブ24の集合体の重量が、線状重合体の鎖26の集合体の重量より、例えば0.1 倍から10倍重く、好ましくは３倍から６倍重い。
【００２６】
図1Bに示されている工程では、直径が例えば0.1 〜0.5 μｍの範囲である孔34を有する膜32、例えばPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）膜を通して懸濁液20を真空濾過する。その結果、カーボンナノチューブ24が結合している線状重合体の鎖26が、膜32の表面に薄膜状に蓄積する。
【００２７】
図1Cに示されているように、薄膜を膜32から分離した後、線状重合体の鎖に結合したカーボンナノチューブを含む薄膜36を得る。例として、薄膜36の厚さが0.01〜１mmの範囲内である。カーボンナノチューブの表面濃度が3.4 mg/cm2であってもよく、線状重合体の鎖の表面濃度が0.56mg/cm2であってもよい。
【００２８】
図２は、薄膜36内のカーボンナノチューブ24に結合した線状重合体の鎖26を示す。カーボンナノチューブ24は、線状重合体の鎖26に保持された官能基28のπ共役基30とπスタッキングによって結合する。鎖26が複数のカーボンナノチューブ24を保持しており、各カーボンナノチューブが複数の鎖に結合してもよい。
【００２９】
薄膜36のカーボンナノチューブ24は互いに接しているため、薄膜36は導電性を有する。線状重合体の鎖26が機械的応力の影響下で変形し得るため、得られた薄膜36は可撓性を有する。特に、本発明者らは、このような可撓性の導電性薄膜が破れずに自身に巻かれ得ることを観察した。
【００３０】
図３は、図1A〜1Cに関連して前述した工程によって得られた可撓性の導電性薄膜を再度示す。
【００３１】
ここでは、例えば直径が約10〜50センチメートルの範囲であって厚さが約100 〜300 μｍの範囲であるこの導電性薄膜からペレット37を切り取る。その後、これら複数のペレット、例えば図示されている例では３つのペレットを積層して、例えば１平方センチメートル当り約５〜10トンの範囲内の圧力を積層されたペレットに加えることにより、リアクタブロック40を形成する。各ペレット間と、各ペレット及びプレス機の支持板間とに数滴の水を注入しながら圧力を加える場合、非常に硬いブロックが得られる。そのため、ブロックはプレス機から容易に分離し、層に裂けたり割れたりしない。このような固体性は、ペレットの重合体と隣接するペレットのカーボンナノチューブとのπ−π結合の相互作用によるものである。
【００３２】
ブロックは、適宜の触媒を含む水溶液をペレット間に加圧した状態で注入することにより機能化される。
【００３３】
従って、適宜の触媒はペレット間に捕捉されて、硬いブロックは層に割れる可能性がかなり低く、触媒を固定させるので、ブロックが動作中に置かれる溶液中に触媒が漏出する可能性が低い。圧縮によって、円盤を共に結合することが可能になり、加えて、この圧縮及びこの圧縮によって生じる円盤間のπ−π結合によって、円盤間にある触媒を捕捉することが可能になる。共有結合又は非共有結合が触媒と円盤との間に更に生じる場合があり、これは触媒の捕捉を更に高める。
【００３４】
介在する触媒は、酵素及び／又は酸化還元媒介物質、金属又は大環状触媒又は金属ナノ粒子、酸化物又は金属−有機錯体であってもよい。これらの化合物は全て反応を触媒するため、リアクタが形成され、電気化学反応である場合、リアクタは電気化学リアクタである。
【００３５】
触媒が酵素である場合、触媒の捕捉を高めるために、線状重合体の鎖は、π共役基を有する官能基に加えて酵素に結合可能な官能基を保持してもよい。例として、酵素をアビジンに共役させる場合、官能基はビオチンであってもよい。別の例として、官能基は、酵素のアミノ基と反応するN-ヒドロキシスクシンイミドであってもよく、このようにして、薄膜と酵素との共有結合を生じさせる。代替的な実施形態では二官能分子を使用してもよく、二官能分子は夫々、一方では可撓性の導電性薄膜の要素に結合可能なπ共役基を有する官能基を保持し、他方では酵素に結合可能な官能基を保持する。
【００３６】
同様に、捕捉により固定される触媒が動作のために酸化還元媒介物質と関連付けられる場合、薄膜は酸化還元媒介物質に結合可能な官能基で特殊化されてもよい。この場合、線状重合体の鎖が、酸化還元媒介物質に結合可能な官能基を保持する。更に、酸化還元媒介物質に結合可能な官能基が、一方では酸化還元媒介物質への結合を可能にする官能基を有して、他方ではカーボンナノチューブへの結合を可能にするπ共役基を有する二官能分子によって保持されてもよい。或いは、酸化還元媒介物質がカーボンナノチューブに直接結合可能な官能基によって機能化されてもよい。例として、酸化還元媒介物質がトルイジンブルー又はトリメチル−チオニン塩酸塩である場合、導電性薄膜は、トルイジンブルーのアミノパターンと反応するN-ヒドロキシ−スクシンイミドのような活性化エステルを含む官能基を有する。酸化還元媒介物質は更にビオロゲンであってもよく、この場合、ビオロゲンをピレンのようなπ共役基を用いて機能化し、その後、機能化されたビオロゲンのπ共役基とカーボンナノチューブとの間でπスタッキングによってビオロゲンを導電性薄膜に結合する。
【００３７】
以下の実施例１〜４は、線状重合体の薄膜とカーボンナノチューブとの間で捕捉される触媒を有する電気化学リアクタの例である。
【００３８】
実施例１
ペレット間に捕捉される触媒は、ラッカーゼのような酵素である。システムが、水溶液、例えばヒト又は動物の体内の水溶液に浸されるとカソードとして作動し、正の電位が上側のペレットに形成された接点に生じる。
【００３９】
実施例２
バイオ燃料電池が、アノードブロック及びカソードブロックを使用して形成される。アノードブロックの触媒は、例えば酸化還元媒介物質に加えてグルコース酸化酵素を有し、カソードブロックの触媒は、例えばラッカーゼを有する。このバイオ燃料電池は、嵩が低く、生体内に埋め込み可能である。
【００４０】
実施例３
セルを形成するために、第１のブロックのレベルでロジウムポルフィリンを捕捉して、第２のブロックのレベルでコバルトフタロシアニンを捕捉してもよい。ロジウムポルフィリンはグルコースを酸化させるべく作用し、コバルトフタロシアニンは酸素を還元すべく作用する。この反応は、２つのブロックが高いpHの溶液に浸されたときのみ作用して、生体内に埋め込み不可能なセルを形成することに留意すべきである。
【００４１】
実施例４
ペレット間に注入された触媒は白金ナノ粒子から形成されている。システムが電解槽内の酸性媒体に浸されて、電流が、上側のペレットに形成された接点と電解槽の槽内に浸された電極との間をブロックを通って循環すると、システムが作動して水素発生反応に触媒作用を及ぼす。
【００４２】
一般に、使用される触媒要素が何であれ、触媒要素の優れた捕捉、ひいてはデバイスの長い寿命が得られる。
【００４３】
変形例
特定の実施形態が述べられている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、上述されたブロックは、本開示に例として示されたものではなく、他の化合物、他の酵素及び他の酸化還元媒介物質によって機能化されてもよい。
【００４４】
単一の酵素、及び場合によっては単一の酸化還元媒介物質を含むブロックが記載されているが、２以上の酵素及び／又は２以上の酸化還元媒介物質が同一の導電性薄膜に結合されてもよい。
【００４５】
本明細書に記載されているブロックは半透過性膜で覆われて、反応の反応物を通過させて、線状重合体の鎖、酵素及びカーボンナノチューブのような他のより重い要素を阻止してもよい。ブロックが生体内に埋め込まれるように構成されるバイオリアクタを形成する場合、膜は、生体適合性材料、例えばキトサン、又はダクロンの商標名で示される材料から形成される。
【００４６】
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第15／59069 号明細書の優先権を主張している。
【図１Ａ】
2018529203.tif 000003
【図１Ｂ】
2018529203.tif 000004
【図１Ｃ】
2018529203.tif 000005
【図２】
2018529203.tif 000006
【図３】
2018529203.tif 000007
【図４】
2018529203.tif 000008
【国際調査報告】
2018529203.tif 000009
2018529203.tif 000010
2018529203.tif 000011
2018529203.tif 000012
2018529203.tif 000013
2018529203.tif 000014