Fabrication, caractérisation et étude électrochimique de microcapsules conductrices à base de dérivés carbazole aminés pour la conception de biopiles enzymatiques

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode.

Stimuli-Responsive Biointerface Based on Polymer Brushes for Glucose Detection

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

Ionic and neutral hydrogels for dermal and ophthalmic applications

This thesis is concerned with the use of ionic and neutral hydrogels in dermal and ocular applications with particular reference to controlled release applications. The work consists of three interconnected themes.The first area of study is the use of skin adhesive bioelectrode hydrogels as ground plate electrodes for ophthalmic iontophoresis applications. The work provides a basis of understanding the relative contributions made by ionic monomers (such as sodium s-(acrylamide)-2-methyl propane sulphonate and acrylic acid-bis-(3-sulfopropyl-ester, potassium salt) and neutral monomers (such as acryloymorpholine, N,N-dimethylacrylamide and N-vinyl pyrrolidone) to adhesion, rheology and impedance of bioelectrode gels. The general advantage of neutral monomers, which have been used to successfully replace ionic monomers, is that they enable more effective control of independent anion and cation species (for example potassium chloride and sodium chloride) unlike ionic monomers where polymerisation produces an immobile polyanion thus limiting cation mobility. Secondly, release from a completely neutral hydrogel under the influence of mechanical shaking was studied for the case of crosslinked polyvinyl alcohol (PVA) containing low concentration of linear soluble PVA in a contact lens application. The soluble PVA was observed to be eluting by reptation from the lens matrix due to the mechanical action of the eyelid. This process was studied in an in vitro model, which in this research was used as a basis for developing a lens made with enhanced release polymer. The third area of work is related to the factors that control drug release (in particular non-steroidal anti-inflammatory drugs) from a hydrogel matrix. This links both electrotherapy applications, such as transcutaneous electrical nerve stimulation, in which the passive diffusion from the gel could be used in conjunction with enhanced transmission across the dermal surface with passive diffusion from a contact lens matrix and the development of therapeutic contact lenses.