Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Plasma-enhanced synthesis of bioactive polymeric coatings from monoterpene alcohols: A combined experimental and theoretical study

This paper describes the synthesis and characterization of a novel organic polymer coating for the prevention of the growth of Pseudomonas aeruginosa on the solid surface of three-dimensional objects. Substrata were encapsulated with polyterpenol thin films prepared from terpinen-4-ol using radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition. Terpinen-4-ol is a constituent of tea tree oil with known antibacterial properties. The influence of deposition power on the chemical structure, surface composition, and ultimately the antibacterial inhibitory activity of the resulting polyterpenol thin films was studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), water contact angle measurement, atomic force microscopy (AFM), and 3-D interactive visualization and statistical approximation of the topographic profiles. The experimental results were consistent with those predicted by molecular simulations. The extent of bacterial attachment and extracellular polymeric substances (EPS) production was analyzed using scanning electron microscopy (SEM) and confocal scanning laser microscopy (CSLM). Polyterpenol films deposited at lower power were particularly effective against P. aeruginosa due to the preservation of original terpinen-4-ol molecules in the film structure. The proposed antimicrobial and antifouling coating can be potentially integrated into medical and other clinically relevant devices to prevent bacterial growth and to minimize bacteria-associated adverse host responses.

Effect of poly ethylene glycol on the mechanical and thermal properties of bioactive Poly (ε–caprolactone) melt extrudates for pharmaceutical applications

This paper investigates the effects of polyethylene glycol (PEG), on the mechanical and thermal properties of nalidixic acid/ploy ε-caprolactone (NA)/PCL blends prepared by hot melt extrusion. The blends were characterized by tensile and flexural analysis, dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. Experimental data indicated that the addition of NA caused loss of the tensile strength and toughness of PCL. Thermal analysis of the PCL showed that on addition of the thermally unstable NA, thermal degradation occurred early and was autocatalytic. However, the NA did benefit from the heat shielding provided by the PCL matrix resulting in more thermally stable NA particles. Results show that loading PEG in the PCL had a detrimental effect on the tensile strength and toughness of the blends, reducing them by 20-40%. The partial miscibility of the PCL-PEG system, causes an increase in Tg. While increases in the crystallinity is attributed to the plasticisation effect of PEG and the nucleation effect of NA. The average crystal size increased by 8% upon PEG addition.

Preparation of bioactive porous Ti-Sn-Nb alloy for biomedical applications

A porous Ti-16Sn-4Nb alloy with an average pore size of 300 µm and porosity of 60 % was prepared by powder metallurgy, and a bone-like apatite coating was obtained by soaking the samples in a concentrated simulated body fluid (lOx SBF). The changes of the microstructure and composition on the surface with soaking time were investigated by using X-ray diffractometry (XRD), and scanning electron microscopy equipped with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), The bone-like apatite granules started to deposit throughout the porous Ti alloy foam aner 1 h soaking, and the number of granules increased with the increase of the soaking time. A uniform bone-like apatite layer covered the entire surface of the sample after soaking in Ihe lOx SBF for 6h. The Ti-16Sn-4Nb foam showed a good bioactivity after a thermochemical process and soaking into a 1Ox SBF.

Biomimetic processing of nanocrystallite bioactive apatite coating on titanium-zirconium alloy

In this paper nanocrystallite apatite coating on TiZr substrate was prepared by a biomimetic process. Surface morphology, thickness, crystalline phases a~nd bond strength of the coating were investigated by SEM, XRD and tensIle test, respectively. Results show that the apatite coating exhibIts a nanocrystalIite structure with similar stoichiometry to that of natural bone. The apatite layer becomes thicker with the increasing of the SBF immersion time and is firmly adhered to the substrate with the highest average bond strength of 15.5 MPa. This nanocrystallite apatite coating is expected to bond to surrounding bone tissue directly in vivo after implantation.

Chemiluminescence as a screening tool for bioactive phytochemicals

The health benefits of antioxidant-rich ‘Mediterranean’ type diets high in grain, olives and red wine are well recognised. Since these foodstuffs consist of a complex matrix of chemical components, to date, the primary challenge lies in prioritising and isolating molecules for a physiologically relevant cell culture assay to assess their human health benefits. Currently, the most common approach requires arduous sample fractionation into smaller ‘crude’ extracts, followed by costly cell culture assays, with the bioactive identified only after a positive response in the cell. The work presented within this poster demonstrates the potential for an acidified potassium permanganate chemiluminescence detector as a much simpler screening tool to identify the best bioactive candidates from a complex sample matrix.

Composites PVDF-TrFE/BT used as bioactive membranes for enhancing bone regeneration

In this paper a piezoelectric composite membranes were developed for charge generator to promoter bone regeneration on defects sites. Is known that the osteogenesis process is induced by interactions between biological mechanisms and electrical phenomena. The membranes were prepared by mixing Barium Titanate (BT) powders and PVDF-TrFE (PVDF:TrFE = 60:40 mol%) on dimethylformamide medium. This precursor solution was dried and crystallized at 100degreesC for 12 hours. Composites membranes were obtained by following methods: solvent casting (SC), spincoating (SP), solvent extraction by water addition (WS) and hot pressing (HP).The microstructural analysis performed by SEM showed connectivity type 3-0 and 3-1 with high homogeneity for samples of ceramic volume fraction major than 0.50. Powder agglomerates within the polymer matrix was evidenced were observed for composites with the BT volume fraction major than 40%. The composite of ceramic fraction of 0.55 presented the best values of remanent polarization (similar to33 muC/cm(2)), but the flexibility of these composites with the larger ceramic fraction was significantly affected.For in vivo evaluation PVDF-TrFE/BT 90/10 membranes with 3cm larger were longitudinally implanted under tibiae of male rabbit. After 21 days the animals were sacrificed. By histological analyses were observed neo formed bone with a high mitotic activity. In the interface bone-membrane was evidenced a pronounced callus formation. These results encourage further applications of these membranes in bone-repair process.

Leishmanicidal activity of Brosimum glaziovii (Moraceae) and chemical composition of the bioactive fractions by using high-resolution gas chromatography and GC-MS

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)