Auto-construction morphogénique de films polymériques contrôlée par électrochimie : surfaces micro-structurées et immobilisation d’enzymes – MorphoBuildup

Afin 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 est activé de sorte qu'ils interagissent avec les autres présents en solution. C'est l'idée sur laquelle est basée notre concept de construction morphogénique de films. Deux types d’autoconstruction ont été abordés : l’électro-assemblage de polyélectrolytes et l’électro-réticulation de polymères, solubles dans l’eau. Dans les deux cas, l’autoconstruction est réalisée avec deux types de polymères présents en solution et en deux étapes: (i) l’électro-activation d’un des polymères suivie par (ii) l’autoconstruction du film par attraction électrostatique ou réticulation entre le polymère activé et le second polymère. L’électro-activation est basée sur un gradient de morphogènes, obtenus par électrochimie, en particulier les ions H+ ou Fe(II), une sonde électrochimique ou une molécule organique.
Dans le cadre de ce projet ANR, nous avons suivi quatre objectifs principaux en utilisant le potentiel électrique comme stimulus:
(i) étudier l'auto-assemblage morphogène des polyélectrolytes
(ii) l'auto-construction de films en utilisant une autre réaction chimique pour réticuler des polymères à la surface d'une électrode
(iii) tirer parti de l'auto-construction morphogénique pour fonctionnaliser des réseaux de micro-électrodes
(iv) utiliser l'auto-construction morphogénique des films pour immobiliser les enzymes pour l'application de biocapteurs

Nous avons développé le premier auto-assemblage obtenu par électrochimie uniquement dû à des interactions électrostatiques ainsi qu’une autoconstruction de films bio-inspirée basée sur des groupements chimiques naturels (les catéchols) appliqués aux polymères puis aux enzymes. Nous avons généralisé notre méthode de fonctionnalisation de surface par électrochimie à l’assemblage de nanoparticules sur des nano-gaps (deux électrodes séparées par un espace de 100 nm), ce qui a permis de mettre en évidence la localisation contrôlée de l’assemblage et ses propriétés de conductivités électriques. D’autre part, nous avons également étendu le concept d’autoconstruction à des interactions de type liaisons de coordinations. L’article de revue publié en 2015 conjointement avec les collègues du NIMS (Tsukuba, Japon) sur les assemblages obtenus par électrochimie est déjà cité 94 fois par la communauté scientifique (Source Web of Science février 2018). Afin de faire connaitre les différents procédés que nous avons développés, nous avons publié en 2017 un article de revue qui résume les différentes méthodes de construction de films à base de polymère par électrochimie. Enfin avec l’aide de la SATT Conectus, nous avons déposé le 22 mars 2018 une demande de brevet européen (Demande de brevet n° 18305320.6) qui reprend la méthodologie innovante d’éléctro-réticulation pour le développement de biocapteurs et de biopiles enzymatiques.
Six articles scientifiques ont été publiés dans des journaux à forte audience tels que Chemistry of Materials ou Chemical Communications. Deux revues relatant l’état de l’art en début et en fin du projet ont été publiées. Une demande de brevet européen a été déposée sur la méthode innovante d’autoconstruction bio-inspirée pour le développement de biocapteur.

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. Depuis les deux dernières décennies, le développement de biocapteurs intégrés pour la détection de plusieurs espèces d'intérêt biologique est en pleine expansion. Les 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, leur coût relativement faible, l'intervention rapide et la miniaturisation, ce qui permet une surveillance continue.

1. Rydzek G., Ji Q., Li M., Schaaf P., Hill J-P., Boulmedais F., Ariga. K. Electrochemical Nanoarchitectonics and Layer-by-Layer Assembly: from basics to future. Nano Today (2015), 10, 138
2. Rydzek G., Toulemon D., Garofalo A., Leuvrey C., Dayen, Felder-Flesch D., Schaaf P., Jierry L., Begin-Colin S., Pichon B. P. and Boulmedais F. Selective Nanotrench Filling by One-pot Electro-click Self-Constructed Nanoparticle Films. Small (2015), 11, 36.
3. Dochter A., Garnier T., Pardieu E., Chau N.T.T., Maerten C., Senger B., Schaaf P., Jierry L. and Boulmedais F. Film Self-Assembly of Oppositely Charged Macromolecules Triggered by electrochemistry through a Morphogenic Approach Langmuir (2015), 31, 10208.
4. Garnier T., Dochter A., Chau N.T.T., Schaaf P., Jierry L. and Boulmedais F. Surface Confined Self-Assembly of Polyampholytes Generated from Charge-Shifting Polymers. Chem. Comm. (2015) 51, 14092.
5. Maerten C., Garnier T., Lupattelli P., Chau N.T.T., Schaaf P., Jierry L. and Boulmedais F. Morphogen electrochemically triggered self-construction of polymeric films based on mussel-inspired chemistry Langmuir (2015) 31, 13385
6. Maerten C., Jierry L., Schaaf P. and Boulmedais F. Review of electrochemically triggered macromolecular film buildup processes and their biomedical applications. ACS Appl. Mat. Int (2017), 9, 28117.
7. Maerten C., Lopez L., Lupattelli P., Rydzek G., Pronkin S., Schaaf P., Jierry L. and Boulmedais F. Electrotriggered confined self-assembly of metal-polyphenol nanocoatings using a morphogenic approach Chem. Mater. (2017) 29, 9668.
8. El Maiss J., Cuccarese M., Maerten C., Lupattelli P., Schaaf P., Jierry L., and Boulmedais F. Mussel Inspired One Pot Electro-crosslinking of Enzyme for the Development of Biosensor (soumis)

Demande de brevet en cours : Boulmedais F., Schaaf P., Jierry L., El Maiss J., Lupttelli P., Cuccarese M. One pot electro-cross-linking of a protein for the development of a protein based biosensor. EP18305325.5

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.