Développement d'encre et d'hydrogels conducteurs et biodégradables à base de polysaccharide pour la conception de système bioélectronique à dégradation contrôlée

Design of polysaccharide-based conductive inks and hydrogels for the development of controllably biodegradable bioelectronics devices

• Auteur / Autrice : Maxime Leprince
• Direction : Isabelle Texier, Rachel Auzély-Velty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des polymères
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches sur les macromolécules végétales (Grenoble, Isère, France ; 1966-....) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Saïd Sadki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Texier, Rachel Auzély-Velty, Vincent Noël, Maria Asplund
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Mecerreyes, Cyril Brochon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocolloïdes

Semiconducteurs

Conducteurs organiques

Mots clés libres

Pedot

Acide hyaluronique

Bio-Encre

Hydrogel

Impression jet d'encre

Electrochimie

Pedot

Hyaluronic acid

Bio ink

Hydrogel

Inkjet printing

Electrochemistry

Résumé

Le développement de matériaux conducteurs biocompatibles et souples a connu cette dernière décennie un engouement majeur en raison du grand nombre d’applications potentielles dans le domaine de la bioélectronique. Le matériau le plus rencontré dans la littérature est le PEDOT:PSS (3,4-poly(éthylènedioxythiophène : poly(styrène) sulfonate), où le PEDOT est un polymère conducteur dopé par du PSS. Ce matériau est utilisé aussi bien pour fabriquer des pistes conductrices, que pour concevoir des hydrogels conducteurs à l’interface électronique/tissus biologiques. Cependant, ce matériau n’est pas biodégradable, ce qui limite le développement de dispositifs médicaux implantés dégradables par le corps ne nécessitant pas de chirurgie explantatoires ; et étant artificiel, sa biocompatibilité reste limitée.Dans cette thèse, un nouveau dopant du PEDOT a été développé à partir d’acide hyaluronique (HA) modifié, afin de concevoir un nouveau matériaux PEDOT :HAmodifié conducteur, hautement biocompatible, réticulable et dégradable en conditions physiologiques.La première étape a consisté en la fonctionnalisation du HA par des fonctions chimiques d’intérêts pour imiter la structure du PSS, afin d’en faire un dopant du PEDOT adéquat. Le HA a d’abord été sulfaté selon un nouveau protocole plus efficace et moins agressif pour le HA que ceux décrit dans la littérature. Puis un groupe acide aminophényle boronique (PBA) a été greffé sur la fonction carboxyle du HA. Une étude systématique a permis de mettre en évidence la synergie entre les sulfates et le groupe aromatique pour doper efficacement le PEDOT. La molécule finale abrégée HAS-PBA, cytocompatible et dégradable par auto-hydrolyse, a permis d’obtenir une encre PEDOT :HAS-PBA plus conductrice que le PEDOT :PSS en conditions physiologiques, avec une conductivité de 1,5 ± 0,3 S/cm. La synthèse de cette encre ainsi que ses propriétés physico chimiques (viscosité et tension de surface) ont ensuite pu être ajustées pour l’imprimer par jet d’encre.Cette encre a par la suite été réticulée pour la rendre stable en milieu aqueux. Des études préliminaires ont montré l’encombrement stérique de la chaine principale du HAS-PBA par les sulfates, et l’inaccessibilité des domaines de PEDOT comme point de réticulation. Afin de réticuler l’encre par réaction thiol-ène photo-induite, une fonction alcène a été greffée sur le HAS-PBA, via un espaceur oligo-PEG. La molécule résultante HAS-PBA-PEGene, réticulable au moyen d’un PEG-bisthiol en présence d’un photo-initiateur, a permis de concevoir une encre conductrice PEDOT :HAS-PBA-PEGene réticulable avec une conductivité initiale de 0,7 ± 0,2 S/cm en conditions physiologiques, augmentable jusqu’à 4,9 S/cm par immersion dans l’eau puis séchage du dépôt réticulé. Cela est attribué à une restructuration du film, et une concentration des domaines de PEDOT conducteurs suite à un lavage du film. L’encre réticulée reste conductrice même après plusieurs jours d’immersion dans l’eau.Finalement, différentes stratégies ont étés mises en œuvre pour tenter d’obtenir un hydrogel conducteur à base de PEDOT dopé par du HAS-PBA. Pour minimiser l’introduction de matériaux non conducteurs, le HAS-PBA a été réticulé par de l’acide adipique dihydrazide en présence d’un agent de couplage EDC pour former la matrice de l’hydrogel. Pour contrôler les paramètres physico- et électrochimiques de l’hydrogel, un protocole où la réticulation de l’hydrogel et la polymérisation du PEDOT se déroulent simultanément a été développé. Finalement, un hydrogel avec un module de stockage G’ de 1,5 ± 0,2 kPa, une capacité de stockage de charge de 5 ± 2,5 mC/cm², une capacité d’injection de charge de 280 ± 40 µC/cm² et une impédance à 1 kHz de 700 Ω a été obtenu. Cet hydrogel présente des propriétés le rendant utilisable pour la stimulation ou le suivi de tissus biologiques.

Research on flexible biocompatible conductive materials has been burgeoning over the last decades due to the huge number of applications in bioelectronics. Recently, conductive bioelectronic devices based on commercial PEDOT:PSS (3,4-poly(ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate) have been developed, using conductive hydrogels as contact electrodes. The soft and flexible nature of these polymer networks make them suitable candidates for electronics/soft tissue interface. However, those conductive materials display some limitations for in vivo implantation due to problems of biocompatibility and biodegradability of PSS. In this work, we aimed to replace PSS by a modified hyaluronic acid (HA) derivative to develop a new biocompatible and degradable PEDOT dopant. This HA derivative enabled to design a new biocompatible, degradable, printable and cross-linkable PEDOT-based ink, and as well, served as an extracellular-matrix-mimicking building block for the construction of pure conductive hydrogels. These properties could enable the design of soft transient electronic devices, which could avoid implant removal surgery.Briefly, HA was chemically modifiied to introduce chemical moieties mimicking the structure of PSS (sulfate + aromatic groups). Then PEDOT:HAderivative inks were synthesized, and their synthesis and final physicochemical properties were tuned to print them using inkjet printing. Noticeably, the conductivity of the developed ink was higher than PEDOT:PSS one in physiological conditions and without any additional treatments.Then additional alkene function were added to the HA derivative via a PEG spacer, to cross-link the material using thiol ene chemistry. the resulting final ink could be cross-linked, and was stable and still conductive after several days in water.Finally, conductive hydrogels were synthesised one pot, polymerising EDOT and cross-linking the HA derivative simultaneously. Their mechanical and electrochemical properties made them suitable for tissue stimulation and monitoring.