Matériaux pour la santé et dispositifs biomédicaux

Les matériaux électrostimulables « actionneurs » que nous développons au laboratoire peuvent trouver de nombreuses applications en lien avec la santé ou pour le développement de dispositifs biomédicaux.
En effet, ces polymères électroactifs sont souvent biocompatibles et miniaturisables, permettent de générer des déformations et un travail mécanique sous faible tension (~1V) et peuvent fonctionner en utilisant des liquides physiologiques/biologiques comme source ionique.
Ainsi, en élaborant des dispositifs stimulables se déformant en flexion (actionneurs bi- ou tri-couches), nous nous intéressons au développement de dispositifs biomédicaux dont la courbure peut être contrôlée électriquement. En fonctionnalisant par exemples des cathéters ou des implants cochléaires, nous souhaitons faciliter le travail des chirurgiens pour la navigation ou l’implantation de ces dispositifs, afin de (i) réduire les temps d’intervention, (ii) augmenter les taux de succès et (iii) réduire les dommages provoqués aux tissus du patient durant l’intervention.

De plus, en fonctionnalisant des matériaux ultraporeux (polyHIPE, cryogels, …) par un polymère électrostimulable, il devient possible de développer des échaffaudages « 4D » électrostimulables pouvant servir de milieu de culture cellulaire dynamique combinant stimulation électrique et mécanique, pour des études de mécanotransduction cellulaire.

Enfin, nous développons des gels de polymères, conducteurs ioniques, permettant de mimer, grâce à leur propriétés piézoioniques, le fonctionnement des mécanorécepteurs biologiques trouvés dans la peau. Cette « peau ionique » pourrait non seulement trouver des applications pour conférer le sens du toucher à des prothèses mais également servir d’interface avec le système nerveux puisque les signaux électriques générés sont suffisants pour induire une réponse nerveuse.

Mots-clés: polymères électroactifs, microactionneurs, matériaux 3D et 4D, culture cellulaire, dispositifs biomédicaux, implants, peau piézoionique
 

Sélection de publications récentes (ou brevets)

Franziska Hahn, Ana Ferrandez-Montero, Mélodie Queri, Cédric Vancaeyzeele, Cédric Plesse, Rémy Agniel, Johanne Leroy-Dudal, Interfaces Electroactive 4D Porous Scaffold Based on Conducting Polymer as a Responsive and Dynamic In Vitro Cell Culture Platform, ACS Appl. Mater. 2024, 16, 5, 5613–5626, https://doi.org/10.1021/acsami.3c16686
Yuta Dobashi, Dickson Yao, Yael Petel, Tan Ngoc Nguyen, Mirza Saquib Sarwar, Yacine Thabet, Cliff L. W. Ng, Ettore Scabeni Glitz, Giao Tran Minh Nguyen, Cédric Plesse, Frédéric Vidal, Carl A. Michal, John D. W. Madden, Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels, Science, 2022, 376, 6592, 502-507, https://doi.org/10.1126/science.aaw1974
A. Ferrandez-Montero, B. Carlier, R. Agniel, J. Leroy-Dudal,C. Vancaeyzeele, C. Plesse, 4D smart porous scaffolds based on the polyHIPE architecture and electroactive PEDOT, J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 12388-12398 https://doi.org/10.1039/D1TC01846A
M. Farajollahi, V. Woehling, C.Plesse, GTM. Nguyen, F. Vidal, F. Sassani, VXD Yang, JDW Madden, Self-contained tubular bending actuator driven by conducting polymers, Sensors and Actuators A – Physical, 2016, 249, 45-56 https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.08.006


 

Forts de compétences dans l’élaboration de matériaux multicomposants tridimensionnel , nous développons des matériaux pour des dispositifs médicaux non implantables. A titre d’exemple :

• Des matériaux manipulables et biodégradables ont été développés en renforçant un réseau de fibrine avec un réseau de polymère synthétique biocompatible biodégradable. Ces matériaux, implantés sur un rat, n'a provoqué aucune inflammation dans le mois qui a suivi. Ils peuvent également être réalisés à partir de plasma. Ils peuvent être utilisés comme base pour les pansements.

• Nous développons actuellement des nouveaux matériaux polymères d’interface pour de l’imagerie médicale. L’idée est de plus avoir recours au gel appliqué sur la peau du patient.

Mots-clés: Fibrine, Réseaux Interpénétrés de Polymères, solvogel

Sélection de publications récentes (ou brevets)

• O. Gsib, M. Deneufchatel, M. Goczkowski, M. Trouillas, M. Resche–Guigon, S.A. Bencherif, O. Fichet, J.J. Lataillade, V. Larreta-Garde, C. Egles, “FibriDerm: Interpenetrated Fibrin scaffolds for the construction of Human Skin Equivalents for full thickness burns”. Innovation and Research in BioMedical Engineering (IRBM), 39 (2) (2018) 103-108. DOI : 10.1016/j.irbm.2017.10.006
• M. Deneufchâtel, V. Larreta-Garde, O. Fichet, « Polyethylene glycol-albumin/fibrin interpenetrating polymer networks with adaptable enzymatic degradation for tissue engineering applications” Polymer Degradation and Stability 152 (2018) 218-227 DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2018.04.023
• O. Gsib, J.L. Duval, M. Goczkowski, M. Deneufchatel, O. Fichet, V. Larreta-Garde, S.A. Bencherif, C. Egles “Evaluation of Fibrin-based Interpenetrating Polymer Networks as Potential Biomaterials for Tissue Engineering” Nanomaterials 7(12) (2017) p. E436. https://doi.org/10.3390/nano7120436.

Les capteurs chimiques et les biocapteurs sont des dispositifs qui permettent de détecter et quantifier des substances chimiques ou biologiques dans divers milieux (eau, air, fluides biologiques, …). Ces dispositifs sont de plus en plus utilisés pour réaliser des diagnostics précoces sur site et/ou de façon autonome et trouvent des applications dans un large éventail de domaines, allant de la santé bien évidemment à l’environnement, l’agriculture ou encore la sécurité pour surveiller les menaces d’exposition à des risques chimiques ou biologiques.

Ces capteurs sont constitués d’une couche sensible capable d’interagir spécifiquement avec le composé à détecter et un transducteur capable de convertir la reconnaissance en un signal mesurable. Les compétences du laboratoire en matière de modification de surface (spin coating, couches auto-assemblées, électrodéposition, électropolymérisation, …) et de synthèse de matériaux (polymères, nanomatériaux) sensibles ou stimulables lui permettent d’élaborer des couches sensibles adaptées au couple cible-transducteur choisi et améliorant la sensibilité du dispositif.

les applications biocapteurs, les développements menés au laboratoire portent sur l’amplification du signal de transduction au moyen de nanomatériaux pour détecter de faibles concentrations et/ou analyser de plus petits volumes et l’utilisation de matériaux avec une structure poreuse hiérarchisée à différentes échelles (polyHIPE, carbone poreux, réseaux organiques (COF/MOF)) pour augmenter la surface spécifique et disposer d’un réseau poreux interconnecté dans lequel les biomolécules peuvent facilement diffuser. Le laboratoire développe également de nouveaux biocapteurs, essentiellement électrochimiques avec une ouverture vers des biocapteurs à base de transistors organique à effet de champ à grille électrolytique (EGOFET). Les biocapteurs électrochimiques comprennent des matériaux électroactifs (nanoparticules, polymères conducteurs électroniques) au niveau de la couche sensible et jouant le rôle de sonde rédox intégrée à la couche sensible. L’enjeu est de développer des capteurs sans étape de marquage plus adaptés pour une intégration dans des dispositifs destinés à des autodiagnostics. Concernant les biocapteurs type EGOFET, la reconnaissance des analytes sur l’électrode de grille induit une perturbation au niveau de sa double couche électrochimique, et par conséquence, une variation du courant traversant la couche semiconductrice organique entre la source et le drain. Nous travaillons non seulement sur la modification de l’électrode grille pour augmenter la sensibilité/sélectivité de la détection mais aussi sur la stabilité de la couche semiconductrice en utilisant des polymères liquides ioniques.

Les applications capteurs chimiques développées au LPPI sont basées sur les variations de propriétés électriques ou optiques de couches de polymères conducteurs électroniques ou de cristaux liquides lors de leur interaction avec des composés gazeux ou des aérosols. Elles sont destinées à la détection de moisissures et de pesticides.

Mots-clés: Nanomatériaux, couche autoassemblées, électrodéposition, matériaux poreux, électrochimie, optique

Sélection de publications récentes

• Kock, B.J., Du Plooy, J., Cloete, R.A., Jahed, N., Pham-Truong, T-N., Ardense, C., Pokpas, K., A Simplistic Label‐Free Electrochemical Immunosensing Approach for Rapid and Sensitive Detection of Anti‐SARS‐COV‐2 Nucleocapsid Antibodies, ChemistrySelect, 2024, 9, e202400409, DOI: https://doi.org/10.1002/slct.202400409
• Upan, J., Yougsives, N., Tuantranont, A., Karuwan, C., Banet, P., Aubert, P.-H., Jakmunee, J., A simple label‑free electrochemical sensor for sensitive detection of alpha‑fetoprotein based on specific aptamer immobilized platinum nanoparticles/ carboxylated‑graphene oxide, Scientific Report, 2021, 11, 11969 DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-021-93399-y
• Upan, J., Banet, P., Aubert, P.-H., Ounnunkad, K., Jakmunee, J., Sequential injection-differential pulse voltammetric immunosensor for hepatitis B surface antigen using the modified screen-printed carbon electrode, Electrochim. Acta, 2020, 349, 136335 DOI : https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136335
• Ngema, X.T., Baker, P., Ajayi, F., Aubert, P.-H., Banet, P., Polyamic acid (PAA) immobilized on glassy carbon electrode (GCE) as an electrochemical platform for the sensing of tuberculosis (TB) antibodies and hydrogen peroxide determination, Analytical Letters, 2020, 53:1, 1–20 DOI : https://doi.org/10.1080/00032719.2019.1636058
• Geagea, R., Aubert, P.-H., Banet, P., Sanson, N., Signal enhancement of electrochemical biosensors via direct electrochemical oxidation of silver nanoparticle labels coated with zwitterionic polymers, Chem. Commun., 2015, 51, 402–405 DOI : https://doi.org/10.1039/c4cc07474b