Piles régénérables à base de nanoparticules enzymatiques et rédox – NANOFUELCELL

La synthèse des copolymères blocs PCL-b-ßCD et PCL-b-MH a été réalisée en utilisant une approche de type chimie clic. Afin de synthétiser le PCL-b-ßCD, le PCL-?-hydroxy commercial a réagi avec du chlorure de 4-bromobutyryle dans CH2Cl2 en présence de triéthylèneamine (TEA ) conduisant à un PCL-Br qui a ensuite été traité avec un excès de NaN3 dans du DMF pour obtenir un PCL fonctionnalisé en azido (PCL-N3). Ensuite la 6-Mono-O-(p-toluenesulfonyl)-beta-cyclodextrin (Ts-ßCD) commerciale a été traitée avec de la propargylamine dans du DMF à 80 ° C pendant 24h pour obtenir du ßCD fonctionnalisé par un motif acétylène. Le PCL-b-ßCD a été synthétisé par réaction clic entre le PCL-N3 et le ßCD fonctionnalisé par un groupe acétylène dans du DMF, en présence de nanopoudre de cuivre à 65 ° C pendant trois jours. Suivant la même stratégie, le PCL-b-MH a été obtenu par réaction clic du PCL-N3 et du maltoheptaose modifié par un motif acetylene (C=C).

DCM: Réalisation des nanoparticules: Nanoprépcipitation solvant organique/H2O contenant le copolymère et la sonde redox souhaitée; dialyse dans l'eau. Caractérisation par diffusion de la lumière, microscopie électronique à transmission et à balayage de ces GNPs ont été également menées afin de mettre en évidence la morphologie et la taille nanométrique de ces nanoparticules. Caractérisation électrochimique (voltampérométrie cyclique) dans un solvant aqueux de particules immobilisées sur surface ou libre en solution (surface modifiée par nanotubes de carbone).
Formation buckypaper: FIltration sous vide d'une dispersion de NTCs dans le DMF, puis séchage à l'air [NB: Les BPs contiennt ou non des espèces redox. Caractérisation par imagerie MEB et par méthodes électrochimiques.
CRNL: impression 3D d'un module d'un maintient d'électrode en U en face à face.

La synthèse des copolymères à blocs PCL-b-ßCD et PCL-b-MH a été réalisée en utilisant une approche de type chimie clic. Le PCL-b-ßCD a été synthétisé par réaction clic entre le PCL-N3 et le ßCD-C=C, en présence de nanopoudre de cuivre. Suivant la même stratégie, le PCL-b-MH a été obtenu par réaction clic du PCL-N3 et du maltohéptaose (MH-C=C). (Tableau 1).
De nouvelles GNPs ont été réalisées à partir d’un mélange, dans différentes proportions, de deux copolymères amphiphiles que sont le polystyrène-bloc-ß-cyclodextrine (PS-b-ßCD) et le polystyrène-bloc-maltoheptaose (PS-b-MH). Ces 2 copolymères sont tous deux constitués d’un bloc hydrophobe, le PS, et de sucre (ßCD ou MH) comme partie hydrophile. Leur auto-assemblage permet d’obtenir les GNPs avec un coeur de polystyrène couvert par les sucres en surface. Un autre axe se poursuit dans le cadre de la réalisation d’électrodes autosupportées à base de NTCs et biocompatible comme les buckypapers (BP). Grâce à leur faible épaisseur, les BPs offrent une excellente diffusion des substrats mais limitent à terme la quantité d’espèce en contact avec le matériau conducteur (faible volume). Les premiers travaux ont porté sur l’incorporation de copolymères à bloc présentant des fonctions pyrènes et redox. Des bioélectrodes protégées par un film d’alginate à leurs surfaces ont montré de meilleures stabilités temporelles à la fois en stockage mais aussi en fonctionnement. La création de microcavités par compression de 3 feuilles de buckypaper dont une évidée et placée en sandwich, a été réalisée. L’emprisonnement d’un colorant rédox a été entrepris pour étudier l’étanchéité du microvolume créé.
CRNL: Le plan d’expériences soumis au comité d’éthique et approuvé. Les dispositifs sont testés dans du tampon phosphate salin contenant les principaux ions présents dans le milieu interstitiel naturel ainsi que 10g/L d’albumine de sérum bovin, 0,5 mM d’ascorbate et 5 mM de glucose à 37°C. Le Dacron limite la diffusion du glucose

Réalisation des nanoparticules à base de caprolactone (biosourcé).
Modification des chaines des copolymères à bloc pour introduire des fonctions électropolymérisable.
La possibilité de régénérer l’activité de ces PEs et donc de prolonger leur performance/durée de vie par le renouvellement de la solution d'enzymes via l’injection d'une nouvelle solution enzymatique sera étudiée.

Ces bioélectrodes seront implantées chez le rat afin d'évaluer leur performance et leur biocompatibilité in vivo sur une longue période via l’injection périodique de solutions d'enzymes.

1. X. Chen, F. Giroud, A. J. Gross, S. Cosnier (O) Exploiting alginate hydrogel coatings to improve buckypaper-based bioanode stability. XXV International Symposium on Bioelectrochemistry and Bioenergetics, Limerick (Ireland) May 26-30, 2019

NANOFUELCELL vise à développer un concept totalement novateur de piles enzymatiques (PEs) à partir de réactions électro-enzymatiques en solution aqueuse confinée dans des compartiments conducteurs perméables agissant comme des électrodes. Contrairement aux PEs classiques, les enzymes et les médiateurs redox nécessaires à la connexion électrique des enzymes ne sont pas fixés mais libres. Afin de garder les médiateurs et les enzymes confinés dans le compartiment perméable, nous concevrons des assemblages supramoléculaires de médiateurs redox ou d'enzymes. La connexion électrique des enzymes en solution dans des électrodes formant une cage perméable sera assurée par des assemblages redox diffusant librement dans cette cavité. Cette stratégie permettra de surmonter la faible stabilité opérationnelle des PEs.
Ces assemblages de médiateurs redox ou d'enzymes seront construits à partir d'un nouveau concept de glyconanoparticules (GNP) fonctionnalisables. Ces dernières, issues de l'auto-assemblage de copolymères blocs bio-sourcés contenant des motifs ß-cyclodextrine (ß-CD), sont en milieu aqueux des sphères modulables (Ø = 50-700 nm) couvertes de motifs ß-CD.
Les GNPs permettront l'ancrage d'une grande variété de molécules par post-fonctionnalisation des ß-CD via des interactions hôte-invité. En particulier, les ß-CD suscitent l'inclusion de groupements hydrophobes tels que le pyrène, la biotine ou l'adamantane liés à des médiateurs redox ou à des enzymes.
La validité des systèmes électro-enzymatiques comme bioanode et biocathode sera d'abord démontrée en plaçant tous les composants dans un sac de dialyse (membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration). Ce compartiment piégera les enzymes et les nanoparticules tout en permettant la perméation des substrats des enzymes (O2 et glucose).
Conjointement à l’étude des réactions bioélectrocatalytiques en milieu confiné, le développement d'un compartiment conducteur perméable basé sur des tissus de nanotubes de carbone (buckypaper, BP) sera entrepris. Ce compartiment à base de nanotubes de carbone (NTC) agira comme une électrode et un récipient emprisonnant les systèmes électro-enzymatiques. Ainsi, des électrodes BP robustes et perméables seront préparées par dispersion de NTC et association avec des polymères organiques linéaires modifiés par des pyrènes pour la réticulation des NTC par des interactions p entre le pyrène et les NTC. Les BP seront optimisés en termes de stabilité mécanique et de porosité adéquate afin de créer une chambre perméable et conductrice contenant une solution de GNPs redox et d'enzymes ou de GNPs-enzymes. La formation d'un compartiment conducteur sera effectuée par la compression de plusieurs BP créant un bloc compact contenant une cavité.
Les électrodes volumiques contiendront à l’anode la glucose déshydrogénase et les quinones-nanoparticules pour l'oxydation du glucose et à la cathode la bilirubine oxydase et les nanoparticules ABTS pour la réduction de l'O2. Ces bioélectrodes seront utilisées pour la connexion des enzymes via les GNPs redox et combinées pour créer une biopile. La possibilité de régénérer l’activité de ces PEs et donc de prolonger leur performance/durée de vie par le renouvellement de la solution d'enzymes via l’injection d'une nouvelle solution enzymatique sera étudiée.
Ces bioélectrodes seront implantées chez le rat afin d'évaluer leur performance et leur biocompatibilité in vivo sur une longue période via l’injection périodique de solutions d'enzymes. La perte des NTC des BP dans le rat sera surveillée par imagerie par résonance magnétique. En particulier, un hydrogel d'alginate modifié par des pyrènes sera utilisé pour recouvrir le BP conférant ainsi une biocompatibilité plus forte à celui ci. La biocompatibilité des PEs sera étudiée en analysant l'évolution temporelle de la capsule fibreuse contenant du collagène, des macrophages fusionnés et des cellules poly-morphonucléaires qui se développeront probablement autour de la biopile.