Integration of proteins with organic electrochemical transistors for sensing applications

par Xenofon Strakosas

Thèse de doctorat en Bioélectronique

Sous la direction de Georges Malliaras.

Soutenue le 12-01-2015

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec Pixinbio Sas et de Département Bioélectronique (laboratoire) .

Le président du jury était Dermot Diamond.

Le jury était composé de Georges Malliaras, Dermot Diamond, Thomas Anthopoulos, Pascal Mailley, Susan Daniel, Roisin Owens.

Les rapporteurs étaient Thomas Anthopoulos, Pascal Mailley.

  • Titre traduit

    INTEGRATION DE PROTEINES DANS DES TRANSISTORS ELECTROCHIMIQUES ORGANIQUES POUR DES APPLICATIONS DE BIOSENSEURS.


  • Résumé

    Le domaine de la bioélectronique, qui couple l'électronique et la biologie, présente un fort potentiel pour le développement de nouveaux outils biomédicaux. Les dispositifs à base d’électronique organique sont particulièrement prometteurs; l'utilisation de ces matériaux organiques confère une interface idéale entre les mondes biologique et électronique en raison de leur biocompatibilité et de leur possible grande flexibilité. Le transistor électrochimique organique (OECT) représente un dispositif prometteur dans ce domaine. Des OECT ont par exemple été intégrés dans des systèmes permettant de détecter localement l’activité ionique/biomoléculaire, de mesurer l'activité d'une cellule unique, mais aussi d’effectuer la caractérisation de tissus et le suivi du fonctionnement d’organes entiers. L'OECT est un dispositif extrêmement polyvalent qui apparaît comme un outil thérapeutique et de diagnostic de première importance. L'utilisation de matériaux organiques tels que les polymères conducteurs, rend l‘OECT adaptable pour une large gamme d'applications. Un exemple représentatif est le capteur de glucose. L'OECT, en raison de ses propriétés d'amplification, peut augmenter ces courants de plusieurs ordres de grandeurs. Utilisé comme capteur de glucose, il montre une forte sensibilité et des limites de détection des concentrations de l’ordre du nanomolar. Cependant, en dehors d’une meilleure précision de mesure, la stabilité est nécessaire pour les applications à long terme. Par exemple, ces capteurs se doivent d'enregistrer en continu les variations de glycémie chez des personnes pendant plusieurs jours et sans défaillance. Le glucose est la source d'énergie principale du cerveau. Ainsi, l'enregistrement de la modulation des niveaux de glucose avant et/ou pendant la crise d'épilepsie peut donner beaucoup d'informations dans la compréhension de cette maladie. Pour des applications à long termes, une liaison covalente de la biomolécule est préférable.La biofonctionnalisation des polymères conducteurs, qui sont utilisés comme matières actives dans les OECTs, est une étape obligatoire qui mettra en évidence les propriétés de l’OECT telles que la biocompatibilité, la stabilité, et la fonctionnalité. Dans ce travail, des méthodes de biofonctionnalisation du poly (3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec des anions de tosylate (PEDOT: TOS) ou dopé avec du poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) ont été développéeset ont conduitsent à des améliorations telles que la biocompatibilité accrue avec les cellules et à une stabilité accrue pour les applications de détection. En outre, nous avons étudié l'utilisation de liquides ioniques en combinaison avec des polymères réticulables comme alternatives aux électrolytes conventionnelles. Ces gels ioniques électrolytes ont amélioré la stabilité des enregistrements électrophysiologiques. Enfin, des mesures in vitro de l'activité métabolique de la cellule ont été effectuées. Le suivi de l'absorption du glucose et de la conversion en lactate fournit des informations sur la santé des cellules et comment ses activités métaboliques sont affectées par la présence de composés toxiques et d’agents pathogènes.


  • Résumé

    The rising field of bioelectronics, which couples the realms of electronics and biology, holds huge potential for the development of novel biomedical devices for therapeutics and diagnostics. Organic electronic devices are particularly promising; the use of robust organic electronic materials provides an ideal bio-interface due to their reported biocompatibility, and mechanical matching between the sensor element and the biological environment, are amongst the advantages unique to this class of materials. One promising device emerging from this field is the organic electrochemical transistor (OECT). The OECT combines properties and characteristics that can be tuned for a wide spectrum of biological applications. These applications have allowed the development of OECTs to sense local ionic/biomolecular and single cell activity, as well as characterization of tissue and even monitoring of function of whole organs. The OECT is an extremely versatile device that emerges as an important player for therapeutics and diagnostics.The use of organic materials, such as conducting polymers, makes the OECT tunable for a wide range of applications. For example, OECTs have been used for sensing applications. A representative example is the glucose sensor. The OECT has been used as glucose sensor and has shown high sensitivities and low limit of detection for concentrations at the nanomolar range. However, apart from high sensitivities, stability and reproducibility are common necessities for long term applications. For example, it is of equal importance for these sensors to continuously record variations of glucose for diabetic patients, since multiple measurements per day without failure are necessary. Additionally, stability is necessary for implantable sensors. For brain cells such as neurons, glucose is the main energy source. Thus recording modulations of glucose levels before or during an epileptic crisis will enhance our understanding of this disease. Long-term stabilities for these sensors can be achieved through biofunctionalization, which is a method to attach a biomolecule to a device. For long term applications a covalent binding of the biomolecule is preferred. Biofunctionalization of conducting polymers, which are used as active materials in OECTs, is a mandatory step that can enhance OECT properties such as biocompatibility, stability, and functionality. In this work, different biofunctionalization methods of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with tosylate anions (PEDOT:TOS) or doped with poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) have been explored. The biofunctionalization methods have led to improvements for different applications such as better interfaces with living cells, and better stability for enzymatic sensors. Additionally, we have employed the use of ionic liquids in combination with cross-linkable polymers as alternative solid state electrolytes. These electrolytes are improving the stability of recordings in electrophysiology. Finally, in vitro measurements of metabolic activities in cells have been explored. The monitoring of glucose uptake and its conversion to lactate is a sensitive indicator of the viability of these cells. Furthermore, in the presence of toxic compounds and pathogens, the nature or kinetics of these metabolic activities is getting affected. Therefore, OECTs used for glucose and lactate sensing can at the same time be used for Immunosensing.


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