Elaboration de matériaux nontissés fonctionnels innovants pour le design de capteurs biomédicaux

Elaboration of functional nonwovens for the design of biomedical sensors

• Auteur / Autrice : Natalie Perrault
• Direction : Anne Perwuelz, Pascal Mailley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Pezron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Vroman, Olivier Dellea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Artan Sinoimeri, Christophe Innocent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie biomédical

Électrochimie

Non-tissés

Biocapteurs

Mots clés libres

Biocapteurs

Nontissés

Électrochimie

Capteurs enzymatique

Matrices de culture cellulaire

Biomédical

Biosensors

Nonwovens

Electrochemistry

Enzymatic sensors

Cell culture scaffolds

Biomedical

Résumé

Les capteurs dans le domaine biomédical sont présents dans tous les secteurs d’activités tels que la prévention, le diagnostic médical, le suivi des patients, la recherche, etc… Les biocapteurs sont essentiellement composés d’éléments bidimensionnels (2D) qui induisent des limitations inhérentes au type de capteur et à l’application visée. Parallèlement, les matériaux poreux, notamment les matériaux fibreux comme les non-tissés, présentent une structure tridimensionnelle (3D). Ces matériaux offrent potentiellement une très grande surface spécifique et un rapport surface/volume remarquable. De plus, les matériaux fibreux sont fabriqués avec de nombreuses matières apportant des fonctionnalités diverses (conductivité électrique, résilience…) et fonctionnalisables par voie physique ou chimique pour les rendre par exemple électriquement conducteurs ou biocompatibles.Cette thèse vise l’élaboration de structures non tissées spécifiques pour deux applications dans le domaine biomédical basées sur l’utilisation de biocapteurs électrochimiques. La première application a pour but de développer un dispositif capable de détecter de manière quantitative et ainsi de mesurer sous forme de signal électrique un élément chimique d’intérêt (le glucose). La détection s’obtient à l’aide d’un élément biologique spécifique ayant une fonction de reconnaissance. Dans ce travail, l’élément biologique spécifique considéré est une enzyme, la glucose oxydase, modèle de référence pour le suivi de la glycémie des personnes diabétiques. L’intérêt d’une structure 3D fibreuse pour ce type d’application est entre autre : i) une surface active très étendue, ii) l’optimisation de la quantité d’éléments biologiques immobilisés à la surface du matériau, iii) la proximité des éléments biologiques avec l’électrode, iv) l’optimisation du temps de contact entre le fluide et le matériau. La seconde application a pour but de développer un dispositif capable d’héberger et de monitorer la croissance d’une culture cellulaire 3D. Le modèle choisi est la culture de peau. Pour cela une architecture fibreuse tridimensionnelle a été réalisée permettant de créer une structure semblable à la matrice extracellulaire, qui est la matrice naturelle liant et soutenant les cellules. Des Non-tissés conducteurs sont intégrés dans la structure afin de suivre la prolifération cellulaire par des mesures électriques.L’objectif de cette thèse est de concevoir (cahier des charges et pistes techniques) et prototyper (mise en œuvre) des structures non tissées pour ces deux applications. Ceci implique entre autre de déterminer les caractéristiques essentielles des structures en non-tissé et de choisir les matériaux non-conducteurs (polyester) et conducteurs (carbone), ainsi que les voies de mise en œuvre adaptés. Ce travail a permis de montrer l’intérêt des fibres carbone (Hexcel AS4C) pour une application de biocapteur électrochimique et de mettre en place une mise en œuvre Wetlaid de laboratoire.Pour la première application, la mise en place d’un protocole d’immobilisation différenciée d’enzymes a été développé notamment sur des fibres PET et carbone seules mais aussi combinées au sein d’un non-tissé carbone/PET par activation plasma O2 et fonctionnalisation par EDC/NHS (1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide et N-Hydroxysuccinimide). Ce premier sujet a abouti à la réalisation d’un capteur ampérométrique à base de glucose oxydase capable de détecter le glucose avec une bonne sensibilité avec une concentration limite de détection de 0,05 mM. Pour la deuxième application, nous avons montré que les non-tissés utilisés étaient bien biocompatibles et adaptés à la culture cellulaire de fibroblastes (NIH/3T3) et qu’ils permettaient une culture tridimensionnelle des cellules de la peau. Cependant le suivi de la culture par spectroscopie d’impédance n’a pas été concluante probablement à cause d’une polarisation de l’électrode non tissée inhibant l’adhésion et la prolifération des cellules

Sensors in the biomedical field are present in all activity areas such as prevention, medical diagnosis, patient monitoring, research, etc. Biosensors are essentially composed of two-dimensional (2D) elements which induce limitations inherent to the type of sensor and the intended application. At the same time, porous materials, in particular fibrous materials such as nonwovens, have a three-dimensional (3D) structure. These materials offer a very large specific surface and a remarkable surface/volume ratio. In addition, fibrous materials are manufactured with many materials offering various functionalities (electrical conductivity, resilience, etc.) and which can be functionalized by physical or chemical means and to make them by electrically conductive or biocompatible for example.This thesis aims at the development of specific nonwoven structures for two applications in the biomedical field based on the use of electrochemical biosensors. The first application aims to develop a device capable of quantitatively detecting and thus measuring, in the form of an electrical signal, a chemical element of interest (glucose). Detection is obtained using a specific biological element having a recognition function. In this work, the specific biological element considered is an enzyme, glucose oxidase, a reference model for monitoring the blood sugar levels of diabetics. The advantage of a fibrous 3D structure for this type of application is, among other things: i) a very large active surface, ii) the optimization of the quantity of biological elements immobilized on the surface of the material, iii) the proximity of biological elements with the electrode, iv) optimization of the contact time between the fluid and the material. The second application aims to develop a device capable of hosting and monitoring the growth of a 3D cell culture. The chosen model is skin culture. For this, a three-dimensional fibrous architecture was created to create a structure similar to the extracellular matrix, which is the natural matrix binding and supporting the cells. Nonwoven conductors are integrated into the structure in order to monitor cell proliferation by electrical measurements.The objective of this thesis is to design (specifications and technical tracks) and prototype (implementation) nonwoven structures for these two applications. This involves, among other things, determining the essential characteristics of nonwoven structures and choosing non-conductive (polyester) and conductive (carbon) materials, as well as the appropriate implementation methods. This work has made it possible to show the interest of carbon fibers (Hexcel AS4C) for an electrochemical biosensor application and to set up a Wetlaid laboratory implementation. For the first application, the implementation of a protocol for the differentiated immobilization of enzymes was developed in particular on PET and carbon fibers alone but also combined within a carbon/PET nonwoven by plasma O2 activation and functionalization by EDC/NHS (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide and N-Hydroxysuccinimide). This first subject led to the realization of an amperometric sensor based on glucose oxidase capable of detecting glucose with good sensitivity with a limit detection concentration of 0.05 mM.For the second application, we showed that the nonwovens used were well biocompatible and adapted to the cell culture of fibroblasts (NIH/3T3) and that they allowed a three-dimensional culture of skin cells. However, the follow-up of the culture by impedance spectroscopy was not conclusive probably because of a polarization of the nonwoven electrode inhibiting the adhesion and the proliferation of the cells