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

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