EP3899517A1 - Nouveaux polymeres et leur utilisation pour la detection de flux ioniques - Google Patents

Nouveaux polymeres et leur utilisation pour la detection de flux ioniques

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EP3899517A1
EP3899517A1 EP19845603.0A EP19845603A EP3899517A1 EP 3899517 A1 EP3899517 A1 EP 3899517A1 EP 19845603 A EP19845603 A EP 19845603A EP 3899517 A1 EP3899517 A1 EP 3899517A1
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EP
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group
crown
polymer
monomer
formula
Prior art date
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Pending
Application number
EP19845603.0A
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German (de)
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Inventor
Eric Cloutet
Jochen Lang
Alexander Kuhn
Georges Hadziioannou
Matthieu Raoux
Ariana VILLARROEL
Myriam ABARKAN
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2438/00—Living radical polymerisation
    • C08F2438/03—Use of a di- or tri-thiocarbonylthio compound, e.g. di- or tri-thioester, di- or tri-thiocarbamate, or a xanthate as chain transfer agent, e.g . Reversible Addition Fragmentation chain Transfer [RAFT] or Macromolecular Design via Interchange of Xanthates [MADIX]

Definitions

  • the present invention relates to ion-sensitive polymers and their use for monitoring biological phenomena associated with ion fluxes, as well as organo-electrochemical transistors comprising such polymers.
  • Extracellular microelectrode arrays have been developed, allowing a non-invasive analysis of electrical phenomena at the cellular level for a long time, but on the one hand these systems are not specific for a type of ion, and on the other hand their signal to noise ratio remains low.
  • ion fluxes i.e. fluxes of a given type of ion
  • Detection of specific ion fluxes can also increase the specificity of biosensors using cells or micro-organs as sensors.
  • Detection of specific ions also allows rapid analysis of liquid samples from biological organisms, liquid samples environmental, and / or liquid samples taken during the monitoring of chemical processes.
  • Organo-electrochemical transistors which are based on semiconductor polymers, base their operation on the movement of ions via non-invasive methods, allow amplification of signals without increasing noise and can give information on the cell activity. However, they cannot intrinsically discriminate between the different types of ions that participate in membrane ion fluxes, which prevents obtaining a more precise picture of the activity of the cells or micro-organs of interest.
  • Electrodes with respect to ions have been designed. These electrodes are in the form of membranes selective for a given type of ion associated with conductive polymers.
  • the inventors have developed in this context new polymers and complexes of polymers which are both electronic conductors and specific to target ions, as well as conductive inks comprising said polymers or complexes.
  • the polymers are either electronic conductors in themselves, or they form a conductive complex in admixture with an electronic conductive polymer.
  • the inks obtained are particularly suitable for use in the manufacture of electrodes and transistors for recording signals at the cellular level.
  • the use of these polymers and inks in transistors makes it possible to combine:
  • the present invention relates firstly to the use of at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • a conductive ink comprising at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ , in which either the polymer comprising at least one unit of formula (I) is an electronic conductive polymer, or the polymer comprising at least one unit of formula (I) is non-electronic conductor and is in the form of a mixture with another polymer electronic conductor.
  • organo-electrochemical transistor comprising as a semiconductor film a film comprising at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ . It also relates to the use of such a transistor for the detection of at least one flux of an ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ at the level of a cell or of a set of cells.
  • It also relates to the use of such a transistor for the detection of the presence of at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ in a liquid sample from a biological organism, in an environmental liquid sample, or in a liquid sample taken during the monitoring of a chemical process.
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ and in which A is preferably chosen from the group consisting of styrene, styrene sulfonate and 3,4-ethylenedioxythiophene .
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ , in which the monomer of formula (II) is chosen from the group consisting of
  • FIG. 2 presents the electrochromic characterization of the dedoping time of the PEDOT ink: PSTFSI-85: PSP15Cr5SI-15 (a) and the characterization in electro-impedance spectroscopy (EIS) of the PEDOT ink: PSTFSI-85: PSP15Cr5SI-15 (b).
  • FIG. 4 shows the effect of thapsigargine on b-clonal cells (line I NS-832/13) cultivated on coverslips with / without a thin film layer of an ink of the PEDOT complex: polymer according to the invention, the polymer according to the invention being a copolymer between STFSI and monomer 2, in mass proportions 85/15 (PEDOT: PSTFSI 85-co-PS18-crown-6).
  • (a) and (b) are images on lamellae without a thin layer of ink according to the invention
  • (c) and (d) are images with a thin layer of ink according to the invention
  • (a) and ( c) are images in the absence of thapsigargine
  • (b) and (d) are images in the presence of thapsigargine
  • (e) represents the quantification of the percentage of dead cells for each condition.
  • FIG. 5 presents (a) the electrochemical characterization of the monomer 6 relative to that of the EDOT monomer, (b) the electrochemical characterization of the various copolymers of the monomer 6 with the EDOT, in the order of the curves (starting from the top to the level of 0.0 on the abscissa) with EDOT / monomer 6 ratios of 2/1, 3/1, 2/3 and 1/1.
  • FIG. 6 presents (a) a scanning electron microscopy image of the EDOT / monomer 6 copolymer with a 3/1 ratio, (b) a microscopy image scanning electron of a 20 micron film formed by electropolymerization of the monomer 6.
  • FIG. 7 represents a diagram for manufacturing and characterizing an OECT according to the invention.
  • FIG. 8 represents the physical characterization of an OECT according to the invention.
  • FIG. 9 represents the physical characterization of an OECT according to the invention.
  • the curve with squares (right axis) is the transconductance of the electrochemical transistor.
  • the present invention relates first of all to the use of at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ ,
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ .
  • polymerizable monomer is meant a monomer comprising at least one reactive function capable of forming a covalent bond with another monomer.
  • the polymerizable monomers according to the invention can form electronic conductive polymers by homopolymerization or by copolymerization with at least one other monomer, preferably another monomer according to the invention.
  • EDOT 3,4-ethylenedioxythiophene monomer
  • the polymerizable monomer according to the invention can form a non-conductive polymer in itself by homopolymerization or by copolymerization with at least one other monomer, but form a conductive complex in the presence of another electronic conductive polymer.
  • styrene and styrene sulfonate monomers in particular sodium styrene sulfonate, which can be used as stabilizers during the oxidative polymerization of EDOT in water to form a conductive complex
  • PEDOT: PSS which is a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and sodium poly (styrene sulfonate).
  • the polymerizable monomer A is chosen from the group consisting of styrene, styrene sulfonate, in particular styrene sulfonate of sodium, 3,4-ethylenedioxythiophene, alkyl acrylates, alkyl methacrylates, thiophene and pyrrole.
  • the polymerizable monomer A is chosen from the group consisting of styrene, styrene sulfonate, in particular sodium styrene sulfonate, and 3,4-ethylenedioxythiophene.
  • the polymerizable monomer is an oligomer, such as a dimer or a trimer, of a polymerizable monomer such as a styrene, styrene sulfonate or 3,4-ethylenedioxythiophene monomer.
  • spacer arm is meant a succession of covalently linked atoms.
  • the spacer arm is a group comprising at least one atom of carbon, hydrogen, phosphorus, sulfur, nitrogen, and / or oxygen.
  • the spacer arm is a group comprising at least one atom of carbon, hydrogen, nitrogen, and / or oxygen.
  • the chain of atoms of the spacer arm connecting the polymerizable monomer A and the chemical group capable of complexing or chelating a B ion comprises from 1 to 10 atoms, preferably from 1 to 5 atoms, in particular from 1 to 3 atoms.
  • the spacer arm L can be an oxygen atom, a sulfur atom, an alkyl group, an ether group, a thioether group, an amine group such as a secondary or tertiary amine, an alkylamine group, an amide group. , an ester group, a cycloalkyl group, a heterocyclic group, a phosphate group or a ketone group.
  • the spacer arm is chosen from the group consisting of an oxygen atom, an alkyl group, an ether group, an amine group such as a secondary or tertiary amine, an alkylamine group, an amide group, an ester group, a cycloalkyl group, a heterocyclic group or a ketone group.
  • the spacer arm is chosen from the group consisting of an amine group, in particular NH, an alkyl group, in particular Chh, an ether group, in particular CH2-O-CH2, and an alkylamine group, in particular CH2-NH.
  • the spacer arm In the case where the spacer arm is not symmetrical, it can be placed both in one direction and in the other between the polymerizable monomer A and the chemical group capable of complexing or chelating a B ion.
  • the spacer arm can also include several groups as listed above covalently linked together.
  • the spacer arm can be an alkylamine group, an alkylester group, an alkylamide group, or an alkylketone group.
  • alkyl group is meant a saturated, linear or branched hydrocarbon group, comprising from 1 to 4 carbon atoms.
  • alkyl groups mention may be made of methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl and iso-butyl groups, preferably methyl and ethyl groups.
  • ether group two alkyl groups covalently linked to each other by an oxygen atom. For example, mention may be made of the group CH2-O-CH2.
  • thioether group two alkyl groups covalently linked to each other by a sulfur atom. For example, mention may be made of the group CH2-S-CH2.
  • amine group is meant an NH group or an N-alkyl group.
  • cycloalkyl group denotes a saturated, unsaturated or aromatic, preferably saturated, hydrocarbon-based ring comprising from 1 to 10 carbon atoms.
  • the cycloalkyl group may in particular be a cyclopropane, a cyclobutane, a cyclopentane, a cyclohexane, a cycloheptane, a cyclooctane, a cyclobutene, a cyclopentene, a cyclohexene, or a phenyl.
  • heterocyclic group is meant a saturated, unsaturated or aromatic hydrocarbon ring comprising from 1 to 10 members, and interrupted by at least one heteroatom chosen from the group consisting of oxygen, nitrogen and sulfur atoms.
  • the heterocyclic group comprises 5 or 6 links.
  • the heterocyclic group can in particular be a furan, a tetrahydrofuran, a thiophene, a pyrrole, a pyridine, a pyrane, an oxazine, a thiazine, a pyrimidine or a piperazine.
  • the heterocyclic group may possibly comprise several cycles, for example it may be a bicyclic group.
  • chemical group capable of complexing or chelating at least one ion is meant a chemical group whose structure allows a non-covalent interaction with at least one ion.
  • the non-covalent interaction between the chemical group and the at least one ion is specific, that is to say that the affinity of the chemical group for the target ion is at least 2 times, preferably at least 10 times, greater than that for another ion in the list, preferably that for any other ion in the list.
  • B can be chosen from crown ethers, cyclic ionophores such as valinomycin and nonactin, and the di (2-picolyl) amine (or Bis (2-pyridylmethyl) amine) group.
  • B is chosen from crown ethers and the di (2-picolyl) amine group.
  • crown ethers cyclic oligomers of ethylene oxide, optionally substituted, known for their ability to interact with cations.
  • crown ethers mention may be made of ether 12-crown-4, ether 15-crown-5, ether 18-crown-6 and ether 21-crown-7, optionally substituted, in particular substituted with at least one benzyl.
  • the crown ether is 15-crown-5 ether or 18-crown-6 ether, optionally substituted, in particular by a benzyl.
  • the sulfur analogs of oxygenated crown ethers (crown thioethers) are also included in the scope of the term “crown ethers" according to the invention.
  • the ion is the potassium ion K + and B is chosen from the group consisting of 18-crown-6 ether (1, 4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane), optionally substituted, valinomycin and nonactin.
  • the ion is the sodium ion Na + and B is the ether 15-crown-5 (1, 4,7, 10,13-pentaoxacyclopentadecane), optionally substituted.
  • the ion is the zinc ion Zn 2+ and B is the di (2-picolyl) amine group, optionally substituted.
  • the polymer comprising at least one unit of formula (I) is either an electronic conductive polymer or it is non-electronic conductor and is used in the form of a mixture with another electronic conductive polymer.
  • the polymer according to the invention is advantageously a stabilizer during the synthesis of the electronic conductive polymer with which it is mixed.
  • the mixture with an electronic conductive polymer is also designated “conductive complex” in the present invention.
  • electroconductive conductive polymer is meant a polymer which alternately has single and multiple bonds, capable of conducting electrons. It can be a conductive or semi-conductive polymer, possibly doped to increase its conduction properties.
  • the method of coating an electrode or manufacturing an organo-electrochemical transistor can be any method conventionally used in this field.
  • the electrode may be an electrode for an organo-electrochemical transistor.
  • the polymer comprising at least one unit of formula (I) is used in the form of an ink, that is to say that it is included in a conductive ink.
  • the conductive ink, the conductive complex or the conductive polymer comprising at least one unit of formula (I) can be deposited on the electrode or on the substrate of the transistor by any technique known in the art, in particular by centrifugation (spin coating ) or by inkjet printing.
  • the invention also relates to a conductive ink comprising at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A, L and B are as defined above, in which either the polymer comprising at least one unit of formula (I) is an electronic conductive polymer, or the polymer comprising at least one unit of formula (I) is non-electronic conductive and is in the form of a mixture with another electronic conductive polymer.
  • a conductive ink according to the invention is a complex mixture of compounds comprising at least one polymer comprising at least one unit of formula (I) and at least one additive, for example a solvent or a formulating agent.
  • the solvent can in particular be water.
  • a conductive ink according to the invention has physicochemical properties such as its wettability and / or its viscosity in particular which allow it to be deposited or printed. Printing the conductive ink according to the invention produces an electronic conductive printed object.
  • the conductive ink according to the invention can comprise additives conventionally used in bioelectronics for obtaining films with the best properties.
  • the ink may contain at least one compound to improve its conductivity, for example a co-solvent such as dimethylsulfoxide (DMSO) or ethylene glycol (EG), at least one compound for increasing surface adhesion, for example the crosslinking agent 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GOPS) or the divinylsulfone crosslinker (DVS), at least one compound for increasing the stability of the conductive ink film in an aqueous medium, for example the 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane crosslinker (GOPS) or the divinylsulfone crosslinker, and / or at least one compound for improving wetting on the substrate, for example a surfactant from the class of Zonyl® (polytetrafluoroethylene resins) or 4-dodecylbenzene sulfonic acid (DBSA).
  • a co-solvent such as dimethylsulfoxide (DMSO) or ethylene glycol (EG)
  • This ink may for example be a PEDOT-based ion-sensitive ink obtained by stabilizing an aqueous dispersion of EDOT monomers with at least one polymer comprising at least one unit of formula (I) as defined above, in particular at least one copolymer of at least one of the 4-vinylbenzyl (sulfonyl) -4 '- (benzo-15-crown-5) -ylamine 1, 4-vinylbenzyl (sulfonyl) -4'- (benzo-18-crown-8) monomers -ylamine 2 and N- (4-vinylbenzyl) (pyridin-2-yl) -N - ((pyridin-2- yl) methyl) methylamine 3, with styrene (trifluoromethanesulfonyl) imide (STFSI), then carrying out the polymerization oxidizing said dispersion.
  • This provides ion sensitivity to a conductive PEDOT-based ink.
  • the inks according to the invention can be formulated, deposited in the form of films using various known techniques.
  • the technique used can be adapted according to the viscosity of the ink and can be 'spin coating', 'doctor blade', 'slot die' or 'spray coating'.
  • the inks can be characterized by different electrochemical methods, in particular for the determination of their ionic sensitivity.
  • the invention also relates to an organo-electrochemical transistor comprising as a semiconductor film a film comprising at least one polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • This transistor has the advantage of being directly ion-specific without requiring the combination of an ion-specific membrane and a conductive polymer.
  • the manufacturing process of transistor is therefore simplified since the conductive polymer or the conductive complex fulfills the double role of ion selectivity and conduction.
  • the transistors according to the invention can be advantageously used as ion-specific sensors for recordings in electrophysiology in particular, for research applications and in the biomedical field.
  • the transistor according to the invention do not require an ion-specific membrane.
  • the transistor according to the invention does not include a specific membrane of at least one type of ion.
  • the semiconductor film of the transistor according to the invention is obtained by printing or depositing a conductive ink according to the invention.
  • Either the polymer comprising at least one unit of formula (I) included in the film of the transistor according to the invention is an electronic conductive polymer, or it is non-electronic conductor and is in the form of a mixture with another electronic conductive polymer .
  • the use of a transistor according to the invention for the detection of at least one flux of an ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ at the level of a cell or of a set of cells is another object of the invention.
  • the cell or set of cells can either be in vivo or be in vitro, for example within a cell culture, preferably in vitro.
  • the cell or the set of cells can in particular be on the transistor.
  • the transistor can be used for the detection of specific ion fluxes during physiological, physiopathological (functional explorations and diagnostics), pharmacological, toxicological or organ-on-chip investigations.
  • the transistor can also be used for the detection of specific ion fluxes during the maturation and / or differentiation of stem cells, for example to monitor their differentiation and then improve the differentiation protocols or when using differentiated stem cells as a model. genetic disease.
  • the transistor can also be used according to the invention for the detection of specific ion fluxes at the level of a bio-sensor using cells, for example clonal, primary or stem cells, or micro-organs as sensors.
  • stem cells are to the exclusion of human embryonic stem cells.
  • the transistor can be used according to the invention for the detection of Zn 2+ co-secreted with insulin at the beta-pancreatic cells, in particular for monitoring and / or quantifying the secretion of insulin in a patient with diabetes.
  • the transistor according to the invention can be part of a sensor used in a device which can be implanted at least partially in the body of a patient.
  • the transistor according to the invention is inside the patient.
  • a transistor according to the invention for the detection of the presence and / or the quantification of at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ in a sample liquid from a biological organism, in an environmental liquid sample, or in a liquid sample taken during the monitoring of a chemical process is another object of the invention.
  • the liquid sample to be analyzed can for example be a liquid sample comprising cells, an organ, a biological organism, an environmental liquid sample or a liquid sample taken during the monitoring of a chemical process.
  • the transistors according to the invention make it possible to overcome the rigidity of the metal electrodes which is a major concern in the interfacing between electrodes and biological material, in particular in vivo.
  • the organoelectrochemical transistor according to the invention can be manufactured by any technique known in the art for manufacturing OECTs.
  • the conductive ink according to the invention can for example be deposited on a glass or plastic substrate such as polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • organo-electrochemical transistor comprising as a semiconductor film a film comprising at least one polymer according to the invention
  • the polymer according to the invention is used to coat an electrode
  • the properties and characteristics described above for the transistor can be transposed directly to the coated electrode.
  • the invention also relates to a polymer comprising at least one unit of formula (I)
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+
  • A is preferably chosen from the group consisting of styrene, styrene sulfonate, in particular sodium styrene sulfonate, and 3,4-ethylenedioxythiophene.
  • the polymer according to the invention can only comprise units of formula (I) (homopolymer), or a combination of such units with at least one other unit (copolymer).
  • These other units can advantageously be EDOT units, STFSI units, styrene units, styrene sulfonate units, in particular sodium styrene sulfonate, or units of formula (I) with A, L and / or B different from those of first motif.
  • the polymer according to the invention may in particular be a copolymer between a 4-vinylbenzyl (sulfonyl) -4 '- (benzo-15-crown-5) -ylamine 1, 4-vinylbenzyl (sulfonyl) -4' - (benzo- 18-crown-8) -ylamine 2 or N- (4-vinylbenzyl) (pyridin-2-yl) -N - ((pyridin-2-yl) methyl) methylamine 3 and the monomer STFSI.
  • it is a non-conductive polymer but forms a conductive complex when it is mixed with PEDOT or a derivative or analog thereof.
  • the polymer according to the invention acts in this case as a stabilizer during the synthesis of PEDOT or of the derivative or analog thereof, in particular when the latter is polymerized oxidatively in an aqueous (dispersed) medium.
  • the polymer according to the invention can in particular be a copolymer between a 4-vinylbenzyl-4 '- (methyl-15-crown-5) -methylether 4 or 4-vinylbenzyl-4'- (methyl-18-crown-8) monomer -methylether 5 and the monomer STFSI.
  • it is a non-conductive polymer but forms a conductive complex when it is mixed with PEDOT or a derivative or analog thereof.
  • the polymer according to the invention may alternatively be a homopolymer of a monomer chosen from the group consisting of monomers (2,3-dihydrothieno [3,4- b] [1, 4] dioxin-2-yl) -4'- (benzo-15-crown-5) -methylamine 6, (2,3-dihydrothieno [3,4- b] [1, 4] dioxin-2-yl) -4 '- (benzo-18-crown-6) -methylamine 7, (2,3-dihydrothieno [3,4- b] [1, 4] dioxin-2-yl) -N, N-bis ((pyridin-2-yl) methyl) methanamine 8, (2, 3-dihydrothieno [3,4- b] [1, 4] dioxin-2-yl) -2- (methyl-15-crown-5) -methyl ether 9, and (2,3-dihydrothieno [3,4- b ] [1, 4
  • the polymer according to the invention may alternatively be a copolymer between a monomer chosen from the group consisting of monomers 6, 7, 8, 9 and 10 and an EDOT monomer, in particular a copolymer between monomer 6 and an EDOT monomer. In this case, it is an electronic conductive polymer.
  • the ratios by mass of units of formula (1) / other units are advantageously included in the range 5/95 to 50/50.
  • the polymer according to the invention can have a variable chain length over a wide range, in particular in the range conventionally used for the use of PEDOT or PEDOT: PSS as conductive polymer or conductive complex respectively.
  • A is styrene or styrene sulfonate, in particular sodium styrene sulfonate
  • the polymer according to the invention typically has a molar mass of between 100 and 300 kg / mol.
  • the polymers according to the invention can be obtained by polymerization of monomers of formula (II)
  • the polymerization can be carried out by any technique known in the field for polymerizing the monomers of formula A.
  • the electronic conductive polymers according to the invention which are such that A is EDOT and are derivatives or analogues of PEDOT can be obtained by radical oxidative polymerization, or by electropolymerization.
  • non-conductive polymers according to the invention which are such that A is styrene sulfonate and are derivatives or analogs of polystyrene sulfonate can be obtained by radical polymerization, advantageously by radical polymerization controlled via RAFT (radical polymerization controlled by reversible chain transfer by addition-fragmentation) or NMP (radical polymerization in the presence of nitroxides).
  • radical polymerization advantageously by radical polymerization controlled via RAFT (radical polymerization controlled by reversible chain transfer by addition-fragmentation) or NMP (radical polymerization in the presence of nitroxides).
  • the unit of formula (I) included in the polymer according to the invention is chosen from the group consisting of:
  • the motif of formula (I) is chosen from the group consisting of:
  • the invention also relates to an electronic conductive complex comprising a polymer according to the invention, preferably a non-conductive polymer according to the invention, and an electronic conductive polymer.
  • the electronic conductive polymer in the electronic complex can be, for example, PEDOT or a derivative or analog thereof.
  • a PEDOT derivative can in particular be obtained by replacing at least certain EDOT monomers with substituted EDOT monomers, in particular at the level of at least one of the carbon atoms of the ethylenedioxy group of the EDOT monomer, with at least one chemical group.
  • a PEDOT analog can in particular be obtained by replacing at least certain EDOT monomers with monomers in which the ethylenedioxy group is replaced by a propylenedioxy group, optionally substituted, or by replacing one or more of the oxygen oxygen atoms. at least some EDOT monomers with nitrogen, selenium or sulfur atoms.
  • the polymers and / or the electronic conductive complexes according to the invention combine the properties of conduction and ionic sensitivity. Due to this combination, their use can advantageously be envisaged in conductive inks, in organo-electrochemical transistors, or in any other system. detection and / or quantification of said ions, for example to determine their concentration in analytes.
  • A is a polymerizable monomer
  • L is a spacer arm
  • B is a chemical group capable of complexing or chelating at least one ion chosen from the group consisting of K + , Na + , Ca 2+ and Zn 2+ .
  • the monomer according to the invention is chosen from the group consisting of:
  • Monomer 2 was synthesized in the same way by replacing the 4’-aminobenzo-15-crown-5 with the 4’-aminobenzo-18-crown-6.
  • Monomers 4 and 5 were synthesized in a single step consisting of low temperature etherification in the presence of sodium hydride.
  • Monomer 5 was synthesized in the same way by replacing 2-hydroxymethyl-15-crown-5 with 2-hydroxymethyl-18-crown-6.
  • the monomer 7 was obtained in the same way by replacing the 4'-aminobenzo-15-crown-5 with the 4'-aminobenzo-18-crown-6. Synthesis of monomer 8
  • Monomer 9 was similarly synthesized by replacing hydroxy-methyl-18-crown-6 with hydroxy-methyl-15-crown-5.
  • Example 2.1 Copolymerization of a monomer according to the invention and of STFSI
  • Monomers 1 to 3 have been used for the synthesis of new electrolyte polymers by radical polymerization methods (via RAFT) known in the literature. Different series of copolymers have been systematically synthesized, changing the ratio between the monomers according to the invention and the more conventional styrene (trifluoromethanesulfonyl) imide (STFSI) monomer providing solubility in water.
  • STFSI trifluoromethanesulfonyl
  • the necessary quantities of the STFSI monomer and of the monomer according to the invention were added to the schlenk type reactor as well as the adequate quantity of the chain transfer agent (CTA) and of the radical initiator azobisisobutyronitrile (AIBN) and dissolved with stirring in DMF to obtain a fairly concentrated reaction mixture.
  • CTA chain transfer agent
  • AIBN radical initiator azobisisobutyronitrile
  • the polymerization was carried out at 65 ° C. under an inert atmosphere for a period ranging from a few days to a few weeks depending on the desired molecular mass.
  • the polymer was obtained after precipitation in tetrahydrofuran (THF) or THF / diethyl ether mixtures, then filtration, washing with THF and drying under vacuum at 65 ° C for at least one day.
  • D denotes the dispersity of the polymer chains and was determined by steric exclusion chromatography (DMF, polystyrene standards).
  • Mw denotes the molar mass and was determined by steric exclusion chromatography.
  • copolymers involving the monomer 3 and the STFSI monomer were synthesized with proportions by mass of monomer 3 of 5%, 10%, 30%, 40% and 50%.
  • the ion specificity has been demonstrated for a copolymer comprising 85% of STFSI monomer and 15% of monomer 2 by mass.
  • This copolymer has been characterized by UV-visible spectroscopy in the presence of increasing concentrations of different alkali metal salts (NaCI and KCI). It has thus been demonstrated that the polymer comprising the 18-crown-6 group has a greater sensitivity to the K + cation, preserving the specificity observed in the 18-crown-6 monomer.
  • Example 2.2 Electrochemical synthesis of polymers and electrochemical characterization of monomers and polymers
  • the electrochemical experiments were carried out using an AUTOLAB potentiostat controlled by a computer using the 'General Purpose Electrochemical Software' (GPES) software.
  • An electrochemical cell with a configuration of 3 electrodes, equipped with a large Platinum surface electrode (mesh) and an Ag / AgCI electrode (in a 3M KCI solution) as reference electrode (Bioanalytical Systems) was used for all experiments.
  • Vitreous carbon was used as the working electrode for the characterization of the monomers.
  • Working electrodes composed of gold films (120 nm thick deposited by thermal evaporation on gold substrates) or ITO were used for electropolymerizations and the characterization of polymer films formed in organic and aqueous media.
  • the acetonitrile was degassed in the cell before use and kept under an inert atmosphere throughout the electropolymerization. Before any experiment, the glassy carbon electrode was polished with alumina (thickness) to guarantee reproducibility.
  • the potentiometry experiments were carried out with a PalmSense potentiostat (Netherlands) controlled by the PS Trace 5.2 software in a cell with two electrodes.
  • An electrochemical cell with a configuration of 3 electrodes as mentioned before was used.
  • a 0.1 M solution of lithium perchlorate in acetonitrile was used as the electrolyte in which the monomer (5 mM) to be characterized or polymerized was added.
  • the two monomers were added in the concentrations necessary to study the molar ratios, that is to have a total concentration of 10 mM.
  • the characterization of the electrochemical profile of the commercial EDOT monomer and of the monomer 6 according to the invention was made using the glassy carbon electrode, previously polished to guarantee the use of a homogeneous and reproducible surface between the different experiments.
  • FIG. 5a shows the electrochemical characterization of the monomer 6 compared to that of the EDOT monomer.
  • FIG. 5b shows the electrochemical characterization of the various copolymers of monomer 6 with EDOT, in the order of the curves (starting from the top at the level of 0.0 on the abscissa) with EDOT / monomer 6 ratios of 2/1, 3 / 1, 2/3 and 1/1.
  • FIG. 6a shows an image of scanning electron microscopy of the EDOT / monomer 6 copolymer with a 3/1 ratio.
  • Figure 6b shows a scanning electron microscopy image of a 20 micron film formed by electropolymerization of monomer 6.
  • the electrolyte polymers obtained in Example 2.1 were used as stabilizers in aqueous dispersions of the EDOT monomer to produce, by oxidative polymerization, ion-sensitive inks based on PEDOT.
  • oxidant solutions iron chloride and ammonium persulfate
  • the reaction was left for 64 h under an inert atmosphere.
  • the purification was carried out by ultrafiltration. A first wash was done with a 1 M solution of hydrochloric acid (150 mL). After concentrating the ink, it was further diluted with the same acid solution. After stirring for 2 hours, a third and final wash with MilliQ water was done. The ink was then filtered and analyzed by UV-Visible spectroscopy to determine a solution containing 1% dry matter according to our calibration. For their storage, the inks are protected from light and kept under magnetic stirring at constant room temperature.
  • FIG. 1 shows the synthesized inks and their comparison with the PEDOT reference system: PSS.
  • FIG. 2 shows the electrochromic characterization of the dedoping time of an ink according to the invention and the characterization in electro-impedance spectroscopy of the same ink.
  • the ink is a PEDOT ink: PSTFSI 85: PSP15Cr5SI 15, SP15Cr5SI denoting monomer 1.
  • PSTFSI 85 PSP15Cr5SI 15, SP15Cr5SI denoting monomer 1.
  • the polymers and conductive complexes according to the invention can form stable aqueous dispersions. Their electrochromic properties are preserved. Their dedoping speed is comparable to that observed with the classic PEDOT: PSS complex.
  • the characterization of the polymers, conductive complexes and inks according to the invention can be carried out by conventional methods such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS) or electrochromic spectroscopy (ECS).
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • ECS electrochromic spectroscopy
  • the cytotoxicity of these inks was evaluated in a preliminary manner (FIG. 3) by observing the morphology of the cells of a clonal line of beta cells in the presence of a thin layer of a film of 3 inks according to the invention. .
  • the composition of the 3 inks is detailed in Table 2 below:
  • the films are 150 nm films deposited by centrifugation (spin coating).
  • Example 4.2 Study of cell death in the presence and absence of ink according to the invention
  • Clonal b cells (INS832-13) were cultured for 24 hours on reference coverslips (a and b) or on coverslips coated with an ink of the polymer studied (c and d) (in this case PEDOT: PSTFSI_85 / monomer 2_15 , based in the same stabilizer characterized in UV).
  • the effect of thapsigargine drug inducing apoptosis was evaluated on the cells cultured on a coverslip coated with the ink according to the invention (d) and compared to the effect of the same drug on the cells cultured on the reference slide (b).
  • Figure 4 shows the evaluation of the cytotoxicity of the indicated components.
  • Measuring apoptosis in response to a stimulus assesses the ability of cells to function normally and without damage. A low rate of apoptosis is always observed during the growth of cells in culture medium, and it is comparable in the two cases studied (strips with and without ink according to the invention), which means that the growth of cells is normal and cell mortality is negligible.
  • Thapsigargine is a non-competitive inhibitor of the calcium ATPase pump in the endoplasmic reticulum SERCA, which increases the intracellular calcium concentration by blocking the cell's ability to pump calcium into the endoplasmic reticulum, causing cell death.
  • FIG. 7 presents a diagram of manufacturing and characterization of an OECT according to the invention
  • FIG. 8 presents the results of characterization of said transistors.
  • the manufacturing was done by conventional methods of metallic evaporation and the use of masks for the definition of the electrodes.
  • the ink used is PEDOT: PSTFSI_85 / monomer 2_15.
  • the ink was deposited by centrifugation (spin coating).
  • the characterization was carried out in an aqueous medium.
  • FIG. 9 Another OECT transistor was manufactured by lithography with PEDOT ink: PSTFSI_85 / monomer 2_15.
  • the transfer curve and the corresponding transconductance curve are shown in Figure 9. This curve shows, as for the transistor deposited by evaporation, the mixed conduction of ions and electrons in the ink film which serves as a channel in the transistor.
  • the transfer curve is produced at a voltage difference between source and drain of -0.4V.
  • the dimensions of the transistor are as follows: width 10 micrometers, length 100 micrometers and thickness 100 nanometers.
  • OECTs have been characterized in electrolytes in the presence of different target cations and their competitors.
  • the ion selectivity is determined by calculating the ratio of the slopes of the linear regressions of the transfer curves for a target cation and its competitor.
  • Table 3 presents the results obtained for a transistor obtained with a PEDOT ink: PSTFSI_85 / monomer 2_15 and a control transistor with PEDOT: PSTFSI.

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Abstract

La présente invention concerne des polymères ions-sensibles et leur utilisation pour le suivi de phénomènes biologiques associés à des flux ioniques, ainsi que des transistors organo-électrochimiques comprenant de tels polymères.

Description

Nouveaux polymères et leur utilisation pour la détection de flux ioniques
La présente invention concerne des polymères ions-sensibles et leur utilisation pour le suivi de phénomènes biologiques associés à des flux ioniques, ainsi que des transistors organo-électrochimiques comprenant de tels polymères.
L’activité électrique constitue la base de nombreux événements primordiaux dans les systèmes vivants, comme par exemple l’activité du cerveau, les battements du cœur ou la sécrétion hormonale. Cette activité électrique est portée notamment par le flux transmembranaire d’ions de différents types. Ces signaux cellulaires sont souvent enregistrés grâce à des sondes qui nécessitent des modifications génétiques ou chimiques. En outre, les techniques aujourd’hui utilisées pour mesurer des courants ioniques au niveau cellulaire, notamment la technique du « patch-clamp », nécessitent un haut niveau d’expertise pour être utilisées et ne permettent pas de réaliser une mesure de courant ionique pendant plus de quelques minutes. Il serait avantageux, afin notamment de pouvoir appliquer la technique à l’homme, d’obtenir des signaux non biaisés, spécifiques d’un type d’ion donné, et de faciliter l’utilisation de la technique en enregistrant des signaux intrinsèques sans utiliser des techniques aussi perfectionnées que le « patch- clamp ». Des matrices de microélectrodes extracellulaires (MEA) ont été développées, permettant une analyse non invasive des phénomènes électriques au niveau cellulaire pendant une longue durée, mais d’une part ces systèmes ne sont pas spécifiques d’un type d’ion, et d’autre part leur rapport signal sur bruit reste faible.
La détection des flux ioniques spécifiques, c’est-à-dire des flux d’un type d’ion donné, est importante pour comprendre la signalisation de cellules ainsi que leurs changements dans le cadre de certaines pathologies, des manipulations génétiques, pharmacologiques ou toxicologiques ou lors de la maturation et/ou de la différenciation de cellules souches.
La détection des flux ioniques spécifiques peut également augmenter la spécificité de biocapteurs utilisant des cellules ou micro-organes comme capteurs.
En outre, le développement d’organes sur puce, dispositifs miniaturisés utilisant la combinaison de microfluidique et de cellules vivantes pour reproduire la complexité d’organes humains et finalement de l’organisme entier, est aujourd’hui un enjeu de taille pour la compréhension de la physiologie et de la physiopathologie, le développement de nouveaux médicaments ou les études de toxicité. Dans ce cadre, il est important de pouvoir suivre de façon rigoureuse et non invasive les phénomènes ioniques spécifiques.
La détection d’ions spécifiques permet également l’analyse rapide d’échantillons liquides issus d’organismes biologiques, d’échantillons liquides environnementaux, et/ou d’échantillons liquides prélevés lors de la surveillance de procédés chimiques.
Les transistors organo-électrochimiques (OECT), qui sont basés sur des polymères semi-conducteurs, fondent leur fonctionnement sur le mouvement d’ions via des méthodes non invasives, permettent une amplification des signaux sans augmenter le bruit et peuvent donner des informations sur l’activité cellulaire. Cependant, ils ne peuvent pas intrinsèquement discriminer entre les différents types d’ions qui participent aux flux ioniques membranaires, ce qui empêche d’obtenir une image plus précise de l’activité des cellules ou des micro-organes d’intérêt.
Pour pallier ce manque, des électrodes sélectives vis-à-vis des ions ont été conçues. Ces électrodes se présentent sous la forme de membranes sélectives pour un type d’ion donné associées à des polymères conducteurs. Cependant, il n'existe pas de matériau à la fois transducteur électronique et sensible aux ions qui permettrait notamment d'améliorer la spécificité pour un type d’ion donné, et d'atteindre des grandes surfaces par impression répétitive.
Les Inventeurs ont développé dans ce cadre de nouveaux polymères et complexes de polymères à la fois conducteurs électroniques et spécifiques d’ions cibles, ainsi que des encres conductrices comprenant lesdits polymères ou complexes. Les polymères sont soit conducteurs électroniques en eux-mêmes, soit ils forment un complexe conducteur en mélange avec un polymère conducteur électronique. Les encres obtenues sont particulièrement adaptées pour être utilisées dans la fabrication d’électrodes et de transistors permettant d’enregistrer des signaux au niveau cellulaire. L’utilisation de ces polymères et encres dans des transistors permet de combiner :
- les avantages des polymères et encres, notamment l’amélioration de la spécificité pour un type d’ions, et l’impression répétitive d’unités micrométriques sur de grandes surfaces et
- les avantages des transistors, notamment la diminution des seuils de détection via amplification et réduction de bruit.
La présente invention concerne en premier lieu l’utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle
A est un monomère polymérisable,
L est un bras espaceur, et
B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
dans un procédé de revêtement d’une électrode ou de fabrication d’un transistor organo-électrochimique.
Elle concerne également une encre conductrice comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+, dans laquelle soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est un polymère conducteur électronique, soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est non conducteur électronique et est sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
Elle concerne également un transistor organo-électrochimique comprenant comme film semi-conducteur un film comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+. Elle concerne également l'utilisation d’un tel transistor pour la détection d’au moins un flux d’un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ au niveau d’une cellule ou d’un ensemble de cellules.
Elle concerne également l'utilisation d’un tel transistor pour la détection de la présence d’au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ dans un échantillon liquide issu d’un organisme biologique, dans un échantillon liquide environnemental, ou dans un échantillon liquide prélevé lors de la surveillance d’un procédé chimique.
Elle concerne également un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ et dans laquelle A est de préférence choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate et le 3,4- éthylènedioxythiophène.
Elle concerne enfin un monomère de formule (II)
Formule (II)
A~L~~B
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+, dans lequel le monomère de formule (II) est choisi dans le groupe constitué par
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 ,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine 6, - la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine 7,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2-yl)methyl)méthanamine 8, - le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther 10.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci- après. Les figures ne sont présentées qu’à titre indicatif et ne sont nullement limitatives de l’invention.
La figure 1 présente les encres synthétisées : de gauche à droite, encre PEDOT : PSTFSI_80 -co- PS15-couronne-5 (1 )_20, encre PEDOT : PSTFSI_85 -co- PS15-couronne-5 (1 )_15, encre PEDOT : PSTFSI_85 -co- PS18-couronne-6 (2)_15 et encre PEDOT : PSTFSI_85 -co- PS18-couronne-6 (2) (250 KDa)_15 (a); deux encres à base de PEDOT dans leurs états dopé et dédopé (electrolyte 0,1 M NaCI, V=-0,75mV) (b et c): PEDOT: PSS commercial, transparent dans son état oxydé (b gauche) et bleu dans son état réduit (b droite); PEDOT:PSTFSI-85:PSP15Cr5SI-15, transparent dans l’état oxydé (c gauche) et bleu dans l’état réduit (c droite).
La figure 2 présente la caractérisation électrochromique du temps de dédopage de l’encre PEDOT:PSTFSI-85:PSP15Cr5SI-15 (a) et la caractérisation en spectroscopie d’électro-impédance (EIS) de l’encre PEDOT:PSTFSI-85:PSP15Cr5SI-15 (b).
La figure 3 présente la morphologie de cellules b-clonales (lignée I NS-832/13) cultivées sur des lamelles avec/sans la couche mince du film des encres à base de PEDOT stabilisées par les polymères électrolytes contenant les fractions ions-sensibles F6, F7 et F8 décrites dans le tableau 2.
La figure 4 présente l’effet de la thapsigargine sur des cellules b-clonales (lignée I NS-832/13) cultivées sur des lamelles avec/sans couche mince de film d’une encre du complexe PEDOT :polymère selon l’invention, le polymère selon l’invention étant un copolymère entre le STFSI et le monomère 2, dans des proportions massiques 85/15 (PEDOT :PSTFSI 85-co-PS18-couronne-6). (a) et (b) sont des images sur des lamelles sans couche mince d’encre selon l’invention, (c) et (d) sont des images avec une couche mince d’encre selon l’invention (a) et (c) sont des images en absence de thapsigargine, (b) et (d) sont des images en présence de thapsigargine, (e) représente la quantification du pourcentage de cellules mortes pour chaque condition.
La figure 5 présente (a) la caractérisation électrochimique du monomère 6 par rapport à celle du monomère EDOT, (b) la caractérisation électrochimique des différents copolymères du monomère 6 avec l’EDOT, dans l’ordre des courbes (en partant du haut au niveau de 0.0 en abscisse) avec des ratios EDOT/monomère 6 de 2/1 , 3/1 , 2/3 et 1/1.
La figure 6 présente (a) une image de microscopie électronique à balayage du copolymère EDOT/monomère 6 avec un ratio 3/1 , (b) une image de microscopie électronique à balayage d’un film de 20 microns formé par électropolymérisation du monomère 6.
La figure 7 représente un schéma de fabrication et de caractérisation d’un OECT selon l’invention.
La figure 8 représente la caractérisation physique d’un OECT selon l’invention.
La courbe avec des points (axe à gauche) est la courbe de transfert montrant l’état « on » (à un voltage de grille de -0,2V) et l’état « off » (à un voltage de grille de +0,75 V) du transistor électrochimique (VD=-0,4V). La courbe avec des carrés (axe à droite) est la transconductance du transistor électrochimique montrant un maximum d’amplification à bas voltage (Vg=+0,2 V) et avec une magnitude similaire à celles de l’état de l’art (VD=- 0,4V).
La figure 9 représente la caractérisation physique d’un OECT selon l’invention. La courbe avec des points (axe à gauche) est la courbe de transfert montrant l’état « on » (à un voltage de grille de -0,2V) et l’état « off » (à un voltage de grille de +0,65 V) du transistor électrochimique (VDS=-0,4V). La courbe avec des carrés (axe à droite) est la transconductance du transistor électrochimique.
La présente invention concerne tout d’abord l’utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle
A est un monomère polymérisable,
L est un bras espaceur, et
B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
dans un procédé de revêtement d’une électrode ou de fabrication d’un transistor organo-électrochimique.
Ainsi, l’invention couvre un procédé de revêtement d’une électrode ou de fabrication d’un transistor organo-électrochimique comprenant au moins une étape d’utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I) Formule (I)
~Ht
L
B
dans laquelle
A est un monomère polymérisable,
L est un bras espaceur, et
B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+.
Ces ions sont des ions importants en électrophysiologie. En effet, les cations K+, Na+ et Ca2+ sont notamment connus pour porter des courants électriques qui traversent la membrane cellulaire. Le cation Zn2+ est notamment important dans le cadre du diabète, dans la mesure où les cellules bêta pancréatiques relarguent des quantités molaires de Zn2+ et d’insuline dans un rapport déterminé (2 Zn2+ pour 6 molécules d’insuline). Le suivi du Zn2+ relargué permet donc un suivi de la quantité d’insuline relarguée, qui est un paramètre important dans le suivi du diabète, notamment pour adapter le traitement administré.
Par « monomère polymérisable », on entend un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère. Les monomères polymérisables selon l’invention peuvent former des polymères conducteurs électroniques par homopolymérisation ou par copolymérisation avec au moins un autre monomère, de préférence un autre monomère selon l’invention. Par exemple, on peut citer le monomère 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT). Alternativement, le monomère polymérisable selon l’invention peut former un polymère non conducteur en lui-même par homopolymérisation ou par copolymérisation avec au moins un autre monomère, mais former un complexe conducteur en présence d’un autre polymère conducteur électronique. Par exemple, on peut citer les monomères styrène et styrène sulfonate, notamment styrène sulfonate de sodium, qui peuvent être utilisés comme stabilisants lors de la polymérisation oxydante de l’EDOT dans l’eau pour former un complexe conducteur tel que le PEDOT : PSS qui est un mélange de poly(3,4- éthylènedioxythiophène) et de poly(styrène sulfonate) de sodium.
Dans un mode de réalisation, le monomère polymérisable A est choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate, notamment le styrène sulfonate de sodium, le 3,4-éthylènedioxythiophène, les acrylates d’alkyle, les méthacrylates d’alkyle, le thiophène et le pyrrole.
Dans un mode de réalisation, le monomère polymérisable A est choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate, notamment le styrène sulfonate de sodium, et le 3,4-éthylènedioxythiophène.
Dans un mode de réalisation, le monomère polymérisable est un oligomère, tel qu’un dimère ou un trimère, d’un monomère polymérisable tel qu’un monomère de styrène, de styrène sulfonate ou de 3,4-éthylènedioxythiophène.
Par « bras espaceur », on entend une succession d’atomes liés de manière covalente. Typiquement, le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote, et/ou d’oxygène. Dans un mode de réalisation, le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, d’azote, et/ou d’oxygène. Par exemple, l’enchaînement d’atomes du bras espaceur reliant le monomère polymérisable A et le groupement chimique capable de complexer ou chélater un ion B comprend de 1 à 10 atomes, de préférence de 1 à 5 atomes, en particulier de 1 à 3 atomes. Notamment, le bras espaceur L peut être un atome d’oxygène, un atome de soufre, un groupement alkyle, un groupement éther, un groupement thioéther, un groupement amine tel qu’une amine secondaire ou tertiaire, un groupement alkylamine, un groupement amide, un groupement ester, un groupement cycloalkyle, un groupement hétérocyclique, un groupement phosphate ou un groupement cétone. Dans un mode de réalisation, le bras espaceur est choisi dans le groupe constitué par un atome d’oxygène, un groupement alkyle, un groupement éther, un groupement amine tel qu’une amine secondaire ou tertiaire, un groupement alkylamine, un groupement amide, un groupement ester, un groupement cycloalkyle, un groupement hétérocyclique ou un groupement cétone. De façon préférée, le bras espaceur est choisi dans le groupe constitué par un groupement amine, notamment NH, un groupement alkyle, notamment Chh, un groupement éther, notamment CH2-O-CH2, et un groupement alkylamine, notamment CH2-NH. Dans le cas où le bras espaceur n’est pas symétrique, il peut être placé aussi bien dans un sens que dans l’autre entre le monomère polymérisable A et le groupement chimique capable de complexer ou chélater un ion B. Le bras espaceur peut également comprendre plusieurs groupements tels que listés ci-dessus liés de façon covalente entre eux. Par exemple, le bras espaceur peut être un groupement alkylamine, un groupement alkylester, un groupement alkylamide, ou un groupement alkylcétone. Par « groupement alkyle », on entend un groupement hydrocarboné saturé, linéaire ou ramifié, comprenant de 1 à 4 atomes de carbone. Parmi les exemples de groupements alkyles on peut citer les groupements méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, sec-butyle et iso-butyle, de préférence les groupements méthyle et éthyle.
Par « groupement éther » on entend deux groupements alkyles liés de façon covalente entre eux par un atome d’oxygène. Par exemple on peut citer le groupement CH2-O-CH2.
Par « groupement thioéther », on entend deux groupements alkyles liés de façon covalente entre eux par un atome de soufre. Par exemple on peut citer le groupement CH2-S-CH2.
Par « groupement amine », on entend un groupement NH ou un groupement N- alkyle.
Par « groupement amide », on désigne un groupement C(=0)-NH.
Par « groupement ester », on désigne un groupement C(=0)-0.
Par « groupement cycloalkyle », on désigne un cycle hydrocarboné, saturé, insaturé ou aromatique, de préférence saturé, et comprenant de 1 à 10 atomes de carbone. Le groupement cycloalkyle peut être notamment un cyclopropane, un cyclobutane, un cyclopentane, un cyclohexane, un cycloheptane, un cyclooctane, un cyclobutène, un cyclopentène, un cyclohexène, ou un phényle.
Par « groupement hétérocyclique », on désigne un cycle hydrocarboné, saturé, insaturé ou aromatique, comprenant de 1 à 10 chaînons, et interrompu par au moins un hétéroatome choisi dans le groupe constitué des atomes d’oxygène, d’azote et de soufre. De préférence, le groupement hétérocyclique comprend 5 ou 6 chaînons. Le groupement hétérocyclique peut être notamment un furane, un tétrahydrofurane, un thiophène, un pyrrole, une pyridine, un pyrane, une oxazine, une thiazine, une pyrimidine ou une pipérazine. Le groupement hétérocyclique peut éventuellement comprendre plusieurs cycles, par exemple il peut s’agir d’un groupement bicyclique.
Par « groupement cétone », on désigne un groupement C(=0).
Par « groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion » on entend un groupement chimique dont la structure permet une interaction non covalente avec au moins un ion. De préférence, l’interaction non covalente entre le groupement chimique et le au moins un ion est spécifique, c’est-à-dire que l’affinité du groupement chimique pour l’ion cible est au moins 2 fois, de préférence au moins 10 fois, supérieure à celle pour un autre ion de la liste, de préférence celle pour n’importe quel autre ion de la liste.
Par exemple, B peut être choisi parmi les éthers couronnes, les ionophores cycliques tels que la valinomycine et la nonactine, et le groupement di(2-picolyl)amine (ou Bis(2-pyridylméthyl)amine). De préférence, B est choisi parmi les éthers couronnes et le groupement di(2-picolyl)amine.
Par « éthers couronnes » on entend les oligomères cycliques d’oxyde d’éthylène, éventuellement substitués, connus pour leur capacité à interagir avec des cations. Parmi les exemples d’éthers couronnes, on peut citer l’éther 12-couronne-4, l’éther 15-couronne-5, l’éther 18-couronne-6 et l’éther 21-couronne-7, éventuellement substitués, notamment substitués par au moins un benzyle. De préférence, l’éther couronne est l’éther 15-couronne-5 ou l’éther 18-couronne-6, éventuellement substitué, notamment par un benzyle. Les analogues soufrés des éthers couronnes oxygénés (thioéthers couronnes) sont également inclus dans la portée du terme « éthers couronnes » selon l’invention. A ce titre on peut citer notamment le 1 ,5,9,13- tétrathiacyclohexadécane. Les analogues azotés des éthers couronnes oxygénés sont également inclus dans la portée du terme « éthers couronnes » selon l’invention, ainsi que les analogues mixtes aza éther couronnes. A ce titre, on peut citer respectivement l'hexaazacyclooctadécane, le 1 ,4,7,10-tétraazacyclododécane (analogues azotés) et le diaza-18-couronne-6 (analogue mixte).
Dans un mode de réalisation, l’ion est l’ion potassium K+ et B est choisi dans le groupe constitué par l’éther 18-couronne-6 (1 ,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane), éventuellement substitué, la valinomycine et la nonactine.
Dans un mode de réalisation, l’ion est l’ion sodium Na+ et B est l’éther 15- couronne-5 (1 ,4,7, 10,13-pentaoxacyclopentadécane), éventuellement substitué.
Dans un mode de réalisation, l’ion est l’ion zinc Zn2+ et B est le groupement di(2-picolyl)amine, éventuellement substitué.
Le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est soit un polymère conducteur électronique, soit il est non conducteur électronique et est utilisé sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique. Dans ce second cas, le polymère selon l’invention est avantageusement un stabilisant lors de la synthèse du polymère conducteur électronique auquel il est mélangé. Le mélange avec un polymère conducteur électronique est également désigné « complexe conducteur » dans la présente invention. Par « polymère conducteur électronique », on entend un polymère qui comporte alternativement des liaisons simples et multiples, capable de conduire les électrons. Il peut s’agir d’un polymère conducteur ou semi-conducteur, éventuellement dopé pour augmenter ses propriétés de conduction.
Le procédé de revêtement d’une électrode ou de fabrication d’un transistor organo-électrochimique peut être tout procédé classiquement mis en oeuvre dans ce domaine. L’électrode peut être une électrode pour transistor organo-électrochimique.
Dans un mode de réalisation, le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est utilisé sous la forme d’une encre, c’est-à-dire qu’il est compris dans une encre conductrice.
L’encre conductrice, le complexe conducteur ou le polymère conducteur comprenant au moins un motif de formule (I) peut être déposé sur l’électrode ou sur le substrat du transistor par toute technique connue dans l’art, notamment par centrifugation (spin coating) ou par impression jet d’encre.
L’invention concerne également une encre conductrice comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A, L et B sont tels que définis ci-avant, dans laquelle soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est un polymère conducteur électronique, soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est non conducteur électronique et est sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
Une encre conductrice selon l’invention est un mélange complexe de composés comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I) et au moins un additif, par exemple un solvant ou un agent de formulation. Le solvant peut notamment être de l’eau. Une encre conductrice selon l’invention a des propriétés physicochimiques telles que sa mouillabilité et/ou sa viscosité notamment qui permettent son dépôt ou son impression. L’impression de l’encre conductrice selon l’invention produit un objet imprimé conducteur électronique. L’encre conductrice selon l’invention peut comprendre des additifs classiquement utilisés en bioélectronique pour l’obtention de films avec les meilleures propriétés. Par exemple, l’encre peut contenir au moins un composé pour améliorer sa conductivité, par exemple un co-solvant comme du diméthylsulfoxyde (DMSO) ou de l’éthylène glycol (EG), au moins un composé pour augmenter l’adhésion en surface, par exemple le réticulant 3- glycidoxypropyltriméthoxysilane (GOPS) ou le réticulant divinylsulfone (DVS), au moins un composé pour augmenter la stabilité du film d’encre conductrice en milieu aqueux, par exemple le réticulant 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane (GOPS) ou le réticulant divinylsulfone (DVS), et/ou au moins un composé pour améliorer le mouillage sur le substrat, par exemple un tensioactif de la classe des Zonyl® (résines de polytétrafluoroéthylène) ou de l’acide 4-dodécylbenzène sulfonique (DBSA).
Cette encre peut être par exemple une encre ion-sensible à base de PEDOT obtenue en stabilisant une dispersion aqueuse de monomères EDOT avec au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I) telle que définie ci-avant, notamment au moins un copolymère d’au moins un des monomères 4- vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 , 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'- (benzo-18-couronne-8)-ylamine 2 et N-(4-vinylbenzyl)(pyridin-2-yl)-N-((pyridin-2- yl)methyl)méthylamine 3, avec le styrène(trifluorométhanesulfonyl)imide (STFSI), puis en réalisant la polymérisation oxydante de ladite dispersion. Cela permet d’apporter une sensibilité aux ions à une encre conductrice à base de PEDOT.
Lors de leur utilisation, les encres selon l’invention peuvent être formulées, déposées sous forme de films via différentes techniques connues. La technique utilisée peut être adaptée en fonction de la viscosité de l’encre et peut être le 'spin coating', 'doctor blade', 'slot die' ou 'spray coating'. De plus, les encres peuvent être caractérisées par différentes méthodes électrochimiques, notamment pour la détermination de leur sensibilité ionique.
L’invention concerne également un transistor organo-électrochimique comprenant comme film semi-conducteur un film comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A, L et B sont tels que définis ci-avant. Ce transistor présente l’avantage d’être directement ion-spécifique sans nécessiter la combinaison d’une membrane ion-spécifique et d’un polymère conducteur. Le procédé de fabrication du transistor est donc simplifié puisque le polymère conducteur ou le complexe conducteur remplit le double rôle de sélectivité ionique et de conduction. Les transistors selon l’invention peuvent être avantageusement utilisés comme capteurs ions-spécifiques pour des enregistrements en électrophysiologie notamment, pour des applications en recherche et dans le domaine biomédical.
Grâce à la spécificité ionique des polymères utilisés dans les films semi- conducteurs des transistors selon l’invention, ces derniers ne nécessitent pas de membrane ion-spécifique. De préférence, le transistor selon l’invention ne comprend pas de membrane spécifique d’au moins un type d’ions.
Dans un mode de réalisation, le film semi-conducteur du transistor selon l’invention est obtenu par impression ou dépôt d’une encre conductrice selon l’invention.
Soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) compris dans le film du transistor selon l’invention est un polymère conducteur électronique, soit il est non conducteur électronique et est sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
L’utilisation d’un transistor selon l’invention pour la détection d’au moins un flux d’un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ au niveau d’une cellule ou d’un ensemble de cellules est un autre objet de l’invention. La cellule ou l’ensemble de cellules peut soit être in vivo soit être in vitro, par exemple au sein d’une culture cellulaire, de préférence in vitro. La cellule ou l’ensemble de cellules peut notamment être sur le transistor. Le transistor peut être utilisé pour la détection de flux ioniques spécifiques lors d’investigations physiologiques, physiopathologiques (explorations fonctionnelles et diagnostics), pharmacologiques, toxicologiques ou au niveau d’organes sur puce. Le transistor peut également être utilisé pour la détection de flux ioniques spécifiques pendant la maturation et/ou la différenciation de cellules souches par exemple pour suivre leur différenciation et améliorer ensuite les protocoles de différenciation ou lors de l’utilisation des cellules souches différenciées comme modèle de maladie génétique. Le transistor peut également être utilisé selon l’invention pour la détection de flux ioniques spécifiques au niveau d’un bio-capteur utilisant des cellules, par exemple des cellules clonales, primaires ou cellules souches, ou micro-organes comme capteurs. Dans un mode de réalisation particulier, et pour des raisons légales ou éthiques, les cellules souches s'entendent à l'exclusion des cellules souches embryonnaires humaines. Enfin, le transistor peut être utilisé selon l’invention pour la détection du Zn2+ co-secrété avec l’insuline au niveau des cellules bêta-pancréatiques, notamment pour le suivi et/ou la quantification de la sécrétion d’insuline chez un patient atteint de diabète. Le transistor selon l’invention peut faire partie d’un capteur utilisé dans un dispositif pouvant être implanté au moins partiellement dans le corps d’un patient. De préférence, le transistor selon l’invention est à l’intérieur du patient.
L’utilisation d’un transistor selon l’invention pour la détection de la présence et/ou la quantification d’au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ dans un échantillon liquide issu d’un organisme biologique, dans un échantillon liquide environnemental, ou dans un échantillon liquide prélevé lors de la surveillance d’un procédé chimique est un autre objet de l’invention.
L’échantillon liquide à analyser peut être par exemple un échantillon liquide comprenant des cellules, un organe, un organisme biologique, un échantillon liquide environnemental ou un échantillon liquide prélevé lors de la surveillance d’un procédé chimique.
Dans la mesure où les polymères conducteurs, complexes conducteurs et encres conductrices selon l’invention peuvent être déposés sur des supports flexibles, les transistors selon l’invention permettent de s’affranchir de la rigidité des électrodes métalliques qui est un souci majeur dans l’interfaçage entre des électrodes et du matériel biologique, en particulier in vivo.
En outre, ils permettent de détecter des flux ioniques en s’affranchissant des problèmes inhérents aux méthodes optiques tels que le photoblanchiment, le chauffage ou le biais par l’utilisation de sondes organiques ou issues de modifications génétiques.
Le transistor organo-électrochimique selon l’invention peut être fabriqué par toute technique connue dans l’art pour fabriquer des OECT. L’encre conductrice selon l’invention peut par exemple être déposée sur un substrat de verre ou de plastique tel que le polytéréphtalate d’éthylène (PET).
Bien que la description de la présente demande concerne principalement un transistor organo-électrochimiques comprenant comme film semi-conducteur un film comprenant au moins un polymère selon l'invention, dans le cas où le polymère selon l’invention est utilisé pour revêtir une électrode, les propriétés et caractéristiques décrites ci-avant pour le transistor sont transposables directement à l’électrode revêtue.
L’invention concerne également un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
Formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+, et dans laquelle A est de préférence choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate, notamment le styrène sulfonate de sodium, et le 3,4-éthylènedioxythiophène. Le polymère selon l’invention peut comprendre uniquement des motifs de formule (I) (homopolymère), ou une combinaison de tels motifs avec au moins un motif autre (copolymère). Ces autres motifs peuvent être avantageusement des motifs EDOT, des motifs STFSI, des motifs styrène, des motifs styrène sulfonate, en particulier styrène sulfonate de sodium, ou des motifs de formule (I) avec A, L et/ou B différents de ceux du premier motif.
Le polymère selon l’invention peut notamment être un copolymère entre un monomère 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 , 4- vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2 ou N-(4-vinylbenzyl)(pyridin-2- yl)-N-((pyridin-2-yl)methyl)méthylamine 3 et le monomère STFSI. Il s’agit dans ce cas d’un polymère non conducteur mais formant un complexe conducteur lorsqu’il est en mélange avec du PEDOT ou un dérivé ou un analogue de celui-ci. Le polymère selon l’invention agit dans ce cas en tant que stabilisant lors de la synthèse du PEDOT ou du dérivé ou analogue de celui-ci, notamment lorsque celui-ci est polymérisé par voie oxydante en milieu aqueux (dispersé).
Le polymère selon l’invention peut notamment être un copolymère entre un monomère 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4 ou 4-vinylbenzyl-4'- (méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5 et le monomère STFSI. Il s’agit dans ce cas d’un polymère non conducteur mais formant un complexe conducteur lorsqu’il est en mélange avec du PEDOT ou un dérivé ou un analogue de celui-ci.
Le polymère selon l’invention peut alternativement être un homopolymère d’un monomère choisi dans le groupe constitué des monomères (2,3-dihydrothiéno[3,4- b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine 6, (2,3-dihydrothiéno[3,4- b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine 7, (2,3-dihydrothiéno[3,4- b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2-yl)methyl)méthanamine 8, (2,3-dihydrothiéno[3,4- b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 9, et (2,3-dihydrothiéno[3,4- b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther 10, notamment un homopolymère du monomère 6. Il s’agit dans ce cas d’un polymère conducteur électronique.
Le polymère selon l’invention peut alternativement être un copolymère entre un monomère choisi dans le groupe constitué des monomères 6, 7, 8, 9 et 10 et un monomère EDOT, notamment un copolymère entre le monomère 6 et un monomère EDOT. Il s’agit dans ce cas d’un polymère conducteur électronique.
Dans le cas des copolymères impliquant des motifs qui ne sont pas de formule (I), les ratios en masse motifs de formule (l)/autres motifs sont avantageusement compris dans la gamme 5/95 à 50/50.
Le polymère selon l’invention peut avoir une longueur de chaîne variable dans une large gamme, notamment dans la gamme classiquement mise en oeuvre pour l’utilisation du PEDOT ou du PEDOT :PSS en tant que polymère conducteur ou complexe conducteur respectivement. Lorsque, dans la formule (I), A est le styrène ou le styrène sulfonate, notamment le styrène sulfonate de sodium, le polymère selon l’invention a typiquement une masse molaire comprise entre 100 et 300 kg/mol.
Les polymères selon l’invention peuvent être obtenus par polymérisation de monomères de formule (II)
Formule (II)
dans laquelle A, L et B sont tels que définis ci-avant, ou par copolymérisation de tels monomères avec d’autres monomères. La polymérisation peut être réalisée par toute technique connue dans le domaine pour polymériser les monomères de formule A. Par exemple, les polymères conducteurs électroniques selon l’invention qui sont tels que A est l’EDOT et sont des dérivés ou analogues du PEDOT peuvent être obtenus par polymérisation oxydante radicalaire, ou par électropolymérisation. Les polymères non conducteurs selon l’invention qui sont tels que A est le styrène sulfonate et sont des dérivés ou analogues de polystyrène sulfonate peuvent être obtenus par polymérisation radicalaire, avantageusement par polymérisation radicalaire contrôlée via RAFT (polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition- fragmentation) ou NMP (polymérisation radicalaire en présence de nitroxydes).
Dans un mode de réalisation, le motif de formule (I) compris dans le polymère selon l’invention est choisi dans le groupe constitué par :
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 ,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2, - la N-(4-vinylbenzyl)(pyridin-2-yl)-N-((pyridin-2-yl)methyl)méthylamine 3,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine 6,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine 7,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2-yl)methyl)méthanamine 8,
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther 10.
De préférence, le motif de formule (I) est choisi dans le groupe constitué par :
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 ,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine 6,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine 7,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2-yl)methyl)méthanamine 8,
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther 10.
L’invention concerne également un complexe conducteur électronique comprenant un polymère selon l’invention, de préférence un polymère non conducteur selon l’invention, et un polymère conducteur électronique. Le polymère conducteur électronique dans le complexe électronique peut être par exemple du PEDOT ou un dérivé ou un analogue de celui-ci. Un dérivé de PEDOT peut être notamment obtenu par remplacement d’au moins certains monomères EDOT par des monomères EDOT substitués, notamment au niveau d’au moins un des atomes de carbone du groupement éthylènedioxy du monomère EDOT, par au moins un groupement chimique. Un analogue du PEDOT peut notamment être obtenu par remplacement d’au moins certains monomères EDOT par des monomères dans lesquels le groupement éthylènedioxy est remplacé par un groupement propylènedioxy, éventuellement substitué, ou par remplacement d’un ou plusieurs des atomes d’oxygène d’au moins certains monomères EDOT par des atomes d’azote, de sélénium ou de soufre.
Les polymères et/ou les complexes conducteurs électroniques selon l’invention combinent les propriétés de conduction et de sensibilité ionique. De par cette combinaison, leur utilisation peut être avantageusement envisagée dans des encres conductrices, dans des transistors organo-électrochimiques, ou dans tout autre système de détection et/ou de quantification desdits ions, afin par exemple de déterminer leur concentration dans des analytes.
L’invention concerne enfin un monomère de formule (II),
Formule (II)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, L est un bras espaceur, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+.
De préférence, le monomère selon l’invention est choisi dans le groupe constitué par :
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1 ,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine 6,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine 7,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2-yl)methyl)méthanamine 8,
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther 10.
6 n~1 B q p~1
7 n^2 10 rs~2
Les exemples ci-après sont destinés à illustrer l’invention sans en limiter la portée.
Exemples
Exemple 1 : Synthèse de monomères selon l’invention
Synthèse des monomères 1 et 2
Etape 1- Formation du chlorure du 4-styrènesulfonyle :
Dans un ballon tricol, flammé et séché au préalable, ont été introduits 60 mL d’acétonitrile sec et dégazé. Puis, du chlorure d’oxalyle (5,91 g ; 46,6 mmol ; 1 ,2 eq.) et du diméthylformamide (DMF) ont été ajoutés. Cette solution a été agitée intensément à température ambiante pour solubiliser les réactifs et promouvoir la formation du complexe Vilsmaier- Haack pendant 4-5 heures. Une fois la couleur jaune caractéristique obtenue de façon stable, du sodium 4-styrènesulfonate (8,0 g ; 38,8 mmol ; 1 ,0 eq.) a été ajouté au milieu réactionnel sous une atmosphère inerte et à température ambiante. Après 24 heures de réaction, le sel précipité a été séparé par filtration et le mélange réactionnel a été utilisé dans la deuxième étape.
Etape 2- Synthèse de la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)- ylamine (Sph15cr5SI) :
Dans un ballon tricol sec et flammé au préalable ont été ajoutés de l’acétonitrile anhydre (V=50 ml_), de la triéthylamine (4,29 g ; 30,2 mmol; 3 eq.) et du 4’-aminobenzo- 15-couronne-5 (3.00 g, 10.1 mmol, 1 eq.). Ce mélange a été agité pendant une heure. Pendant ce temps, la solution de chlorure de 4-styrènesulfonyle (de l’étape 1 ) a été refroidie à 0°C. Ensuite, la solution du 4’-aminobenzo-15-couronne-5 a été ajoutée sous vide à cette dernière. Après l’ajout, le mélange réactionnel a été agité à température ambiante pendant 16 heures. Le solvant du milieu réactionnel a été évaporé sous pression réduite et le résidu obtenu a été solubilisé dans du dichlorométhane, puis des extractions successives avec du carbonate de potassium ont été réalisées suivies d’un lavage avec une solution 1 M d’acide chlorhydrique. Enfin, le solvant organique a été évaporé et le résidu obtenu séché sous vide pendant 16h à 45 °C Le produit a été obtenu sous forme de solide visqueux de couleur marron (rendement (Rdt) = 54 %).
1H-NMR (400 MHz; CDC ; 298K): ppm 7,73 (d, 2H); 7,57 (d, 2H); 6,79 (q, 1 H); 6,71 (d, 1 H); 6,29 (s, 1 H); 6,21 (d, 1 H); 5,95 (d, 1 H); 5,38 (d, 1 H); 3,85 (m, 4H); 3,74 (dt, 4H); 3,67-3,63 (m, 8H); 13C-NMR (75 MHz; DMSO-d6; 298K): ppm 144.21 ; 139.55; 135.57; 126.43; 125.87; 126.36-122.06-117.77-113.47 (q CF3); 1 16.55; FTIR (ATR cm-1 ): = 1400, 1329, 1281 , 1 195, 1 172, 1159, 1140, 1090, 1058, 844, 776, 735, 655; m/z (ESI-HRMS) 313.9779 ([M ] C9H7F3N04S2 correspond à 313.9769).
Le monomère 2 a été synthétisé de la même façon en remplaçant le 4’- aminobenzo-15-couronne-5 par le 4’-aminobenzo-18-couronne-6.
Synthèse des monomères 4 et 5
Les monomères 4 et 5 ont été synthétisés en une seule étape consistant en une éthérification à basse température en présence d’hydrure de sodium.
Une solution de 2-hydroxyméthyl-15-couronne-5 (1 ,55 g; 5,9 mmol) dans 15 mL de DMF a été ajoutée goutte à goutte à une solution d’hydrure de sodium (0,307 g ; 7,67 mmol) dans du DMF sous atmosphère inerte à 0°C. Après trente minutes à cette température, le chlorure de 4-vinylbenzyle (1 ,109 mL ; 7,08 mmol) a été ajouté. Le mélange réactionnel a été laissé sous agitation à 0°C pendant 2 heures avant de le laisser revenir à température ambiante. La réaction a été arrêtée par addition d’eau (70 mL). La phase organique a été extraite plusieurs fois avec de l’acétate d'éthyle, et les différentes phases organiques combinées ont été séchées avec du sulfate de sodium et concentrées sous vide. Le produit final 4 (une huile incolore, 2,4 g ; Rdt = 93%) a été purifié par chromatographie liquide avec un gel de silice comme phase stationnaire et un mélange de dichlorométhane/diéthyl éther (10 :1 ) comme phase mobile.
1H-NMR (CDCIs, 400 MHz): 5(ppm): 7,30 (dd, 2H) ; 7,21 (dd, 2H) ; 6,63 (q, 1 H) ; 5,68 & 5,54 (d, 2H) ; 4,46 (s, 2H) ; 3,59 (m, 4H) ; 3,59 (m, 19 H). 13C-NMR (CDCIs, 150 MHz): 5(ppm): 136,9 ; 135,8; 126,7; 125,1 ; 1 12,7; 77,7; 69,5; 69,4.
Le monomère 5 a été synthétisé de la même façon en remplaçant le 2- hydroxyméthyl-15-couronne-5 par le 2-hydroxyméthyl-18-couronne-6.
Synthèse des monomères 6 et 7
La synthèse des monomères 6 et 7 a été effectuée en une seule étape de substitution nucléophile entre le chlorométhyl-EDOT et le 4’-aminobenzo-15-couronne-5 ou le 4’-aminobenzo-18-couronne-6 en présence de carbonate de potassium.
Dans un ballon tricol de 100 mL, sous atmosphère inerte, ont été ajoutés successivement le chloro-méthyl-EDOT (0,3436 g ; 1 ,71 mmol ; 1 eq.), le 4’-aminobenzo- 15-couronne-5 (0,5 g ; 1 ,71 mmol, 1 eq.) et du carbonate de sodium (0,561 g ; 5,29 mmol ; 3eq.). L’ensemble a été dissous dans de l’acétonitrile sec (40 mL) à l’aide d’un agitateur magnétique et chauffé à reflux (70°C) pendant 48h sous atmosphère inerte. Après retour à température ambiante, le solvant a été évaporé sous vide et le produit brut obtenu a été dissous dans 30 mL de dichlorométhane. Sa purification a été réalisée par extraction liquide-liquide avec de l’eau (3x10 mL). La phase organique a ensuite été séchée avec du sulfate de magnésium. Après filtration et évaporation du solvant et séchage sous vide à 45°C pendant 24 heures, le monomère 6 pur a été obtenu sous forme d'une huile visqueuse marron (0, 703g, Rdt = 90%).
1H-RMN (400 MHz; CDCIs; 298K): ppm 6,71 (d, 1 H); 6,35 (m, 2H); 6,27 (d, 1 H); 6,20 (dd, 1 H); 4,48 (s, 16H); 4,35 (m, 1 H); 4,28-4,12(m, 2H); 4,05 (m, 4H); 3,87 (m, 4H); 3,74 (s, 8H); 3,71-3,63 (m, 2H). 13C-NMR (75 MHz; CDCI3; 298K): d/ppm : 150,7 ; 142,10 ; 141 ,34 ; 141 ,24 ; 140,79 ; 117,49 ; 107,49 ; 102,79 ; 100,24 ; 72,95 ; 70,92-68,73 ; 65,68 ; 41 ,45.
Le monomère 7 a été obtenu de même en remplaçant le 4’-aminobenzo-15- couronne-5 par le 4’-aminobenzo-18-couronne-6. Synthèse du monomère 8
Du 2’-aminométhyl-3,4-éthylène-dioxythiophène (0,350 g ; 2,04 mmol, 1eq.) et de l’hydrochlorure de 2-(chlorométhyl) pyridine (0,714g; 4,09 mmol, 2eq.) ont été ajoutés dans un réacteur contenant 15 ml_ d’eau. Ce dernier a été chauffé à 60°C dans un bain d’huile. 2,5 ml d’une solution 5N d’hydroxyde de sodium a été ajoutée au réacteur et le mélange réactionnel a été laissé sous agitation pendant une heure. Après une heure, de l’hydrochlorure de 2-(chlorométhyl) pyridine (0,335 g ; 2,04 mmol, 1 eq.) solubilisé dans 5 ml_ d’eau a été ajouté et laissé sous agitation pendant 2 heures. Après retour à température ambiante, le mélange a été extrait avec du diéthyl-éther (3x20 ml_). Après séchage des phases organiques combinées avec du sulfate de magnésium et évaporation du solvant, une huile rose a été obtenue. Après purification par chromatographie liquide sur alumine comme phase stationnaire et le mélange de solvants dichlorométhane/ méthanol (99:1 ) comme phase mobile, le produit 8 pur a été obtenu sous forme d'une huile jaune (0,126 g, Rdt = 42%).
1H-RMN (400 MHz; CDCI3; 298K): ppm 8,44 (m, 2H); 7,55 (m, 2H); 7,38 (m, 2H); 7,06 (m, 2H); 6,19 (m, 2H); 4,20 (m, 1 H); 4,10-3,90(m, 2H); 3,85 (m, 4H); 2,81 (m, 2H). 13C-NMR (75 or 150 MHz; CDCI3; 298K): d/ppm : 159.0 ; 149,1 ; 141 ,6 ; 136,4 ; 123,1 ; 122,2 ; 73,3; 72,3 ; 67,1 ; 67,0 ; 61 ,1 ; 55,1 ; 53,9; 49,2.
Synthèse des monomères 9 et 10
Un ballon tricol de 100 ml_, flammé et séché au préalable, a été chargé avec du chlorométhyl-EDOT (0,5 g ; 2,62 mmol; 1 ,0 eq.), de l’hydroxy-méthyl-18-couronne-6 (0,526 g ; 2,62 mmol ; 1 ,0 eq.), du carbonate de potassium (0,725 g ; 5,25 mmol ; 2,0 eq.) et une quantité catalytique d’iodure de potassium (0,043 g ; 0,26 mmol ; 0,1 eq.). Le milieu réactionnel a été solubilisé dans du DMF (40 mL). Cette solution a été agitée intensément à 100°C pendant 24 heures sous conditions inertes. Puis, un équivalent de chlorométhyl-EDOT a été ajouté et la réaction a été poursuivie pendant 24 heures dans les mêmes conditions. Le mélange réactionnel a été refroidi jusqu’à revenir à température ambiante, puis il a été extrait avec du dichlorométhane (3x20 mL). Les fractions organiques combinées ont été lavées avec de l’eau (20 mL) et séchées avec du sulfate de magnésium. Le solvant a été évaporé sous vide à l’aide d’un évaporateur rotatif et le produit a été purifié par chromatographie sur colonne d'alumine comme phase stationnaire et avec un mélange des solvants dichlorométhane/éthyle acétate/méthanol (1 :1 :1 ). Une huile couleur caramel 10 (0,84 g ; Rdt = 72%) a ainsi été obtenue. 1H-NMR (CDCIs, 400 MHz): 5(ppm): 6,33 (s, 2H) ; 4,23 (t, 2H) ; 4,1 1 (dd, 1 H) ; 3,85 (m, 4H) ; 3,67 (m, 15 H). 13C-NMR (CDCIs, 150 MHz) : 5(ppm) : 141 ,64, 141 ,34; 140,89; 100,34; 92,83; 77,23; 74,22; 73,06; 70,8; 65,96; 65,78; 65,49; 61 ,74; 41 ,54.
Le monomère 9 a été synthétisé de façon similaire en remplaçant l’hydroxy- méthyl-18-couronne-6 par l’hydroxy-méthyl-15-couronne-5.
Exemple 2 : Synthèse de polymères selon l’invention
Exemple 2.1 : Copolymérisation d’un monomère selon l’invention et de STFSI
Les monomères 1 à 3 ont été employés pour la synthèse de nouveaux polymères électrolytes par des méthodes de polymérisation radicalaire (via RAFT) connues dans la littérature. Différentes séries de copolymères ont été synthétisées de manière systématique changeant le ratio entre les monomères selon l’invention et le monomère plus classique styrène(trifluorométhanesulfonyl)imide (STFSI) apportant la solubilité dans l'eau. La procédure expérimentale de la synthèse des différents polymères électrolytes est décrite ci-après :
Les quantités nécessaires du monomère STFSI et du monomère selon l’invention ont été ajoutées au réacteur type schlenk ainsi que la quantité adéquate de l’agent de transfert de chaîne (CTA) et de l’amorceur radicalaire azobisisobutyronitrile (AIBN) et solubilisées sous agitation dans du DMF pour obtenir un mélange réactionnel assez concentré. Après plusieurs cycles de gel-dégel, la polymérisation a été effectuée à 65°C sous atmosphère inerte pendant une durée allant de quelques jours à quelques semaines en fonction de la masse moléculaire désirée. Le polymère a été obtenu après précipitation dans du tétrahydrofurane (THF) ou des mélanges THF/ éther diéthylique, puis filtration, lavage avec du THF et séchage sous vide à 65 °C pendant au moins une journée.
Les différents ratios utilisés pour les monomères 1 (noté SP15Cr5SI) et 2 (noté SP18Cr6SI) sont listés dans le tableau 1 ci-dessous. [Tableau 1]
Dans le tableau 1 , D désigne la dispersité des chaînes polymères et a été déterminée par chromatographie d’exclusion stérique (DMF, standards de polystyrène). Mw désigne la masse molaire et a été déterminée par chromatographie d’exclusion stérique.
Les copolymères impliquant le monomère 3 et le monomère STFSI ont été synthétisés avec des proportions en masse de monomère 3 de 5%, 10%, 30%, 40% et 50%.
La spécificité ionique a été démontrée pour un copolymère comprenant 85% de monomère STFSI et 15% de monomère 2 en masse. Ce copolymère a été caractérisé en spectroscopie UV-visible en présence de concentrations croissantes de différents sels de métaux alcalins (NaCI et KCI). Il a été démontré ainsi que le polymère comprenant le groupement 18-couronne-6 présente une plus grande sensibilité au cation K+, préservant la spécificité observée dans le monomère 18-couronne-6.
Exemple 2.2 : Synthèse électrochimique de polymères et caractérisation électrochimique de monomères et polymères
Les expériences électrochimiques ont été réalisées en utilisant un potentiostat AUTOLAB contrôlé par un ordinateur à l’aide du logiciel ‘General Purpose Electrochemical Software’(GPES). Une cellule électrochimique, avec une configuration de 3 électrodes, équipée d’une contre-électrode de large surface de Platine (maille) et d'une électrode de Ag/AgCI (dans une solution 3M KCI) comme électrode de référence (Bioanalytical Systems) a été utilisée pour toutes les expériences. Du carbone vitreux a été utilisé comme électrode de travail pour la caractérisation des monomères. Des électrodes de travail composées de films d’or (120 nm d’épaisseur déposés par évaporation thermique sur des substrats d’or) ou d’ITO ont été utilisées pour les électropolymérisations et la caractérisation des films polymères formés en milieux organique et aqueux. L’acétonitrile a été dégazé dans la cellule avant utilisation et maintenu sous atmosphère inerte tout le long de l’électropolymérisation. Avant toute expérience, l’électrode de carbone vitreux a été polie avec de l’alumine (épaisseur) pour garantir la reproductibilité. Les expériences de potentiométrie ont été réalisées avec un potentiostat PalmSense (Pays-Bas) contrôlé par le logiciel PS Trace 5.2 dans une cellule de deux électrodes.
Les profils électrochimiques des différents monomères, ainsi que les conditions de polymérisation et copolymérisation avec le monomère EDOT ont été mis au point pour l’obtention des films polymères ion-sensibles. La procédure expérimentale est décrite ci- après.
Une cellule électrochimique avec une configuration de 3 électrodes comme mentionné auparavant a été employée. Une solution de 0,1 M de perchlorate de lithium dans l’acétonitrile a été utilisée comme électrolyte dans laquelle le monomère (5 mM) à caractériser ou à polymériser a été ajouté. Dans le cas des copolymérisations, les deux monomères ont été ajoutés dans les concentrations nécessaires pour faire l’étude des ratios molaires, soit pour avoir une concentration totale de 10 mM. La caractérisation du profil électrochimique du monomère commercial EDOT et du monomère 6 selon l’invention a été faite en utilisant l’électrode de carbone vitreux, préalablement polie pour garantir l’emploi d’une surface homogène et reproductible entre les différentes expériences. Pour caractériser le potentiel d’oxydation de chaque monomère, un cycle unique de voltammétrie potentiodynamique a été effectué. L’expérience a été faite en utilisant comme potentiels initial et final 0 V ainsi que 1 ,5 V comme potentiel maximal du cycle. Le balayage a été fait à une vitesse de 25 mV/ min. Pour les électro (co polymérisations, une électrode d’or a été utilisée (film de 120 nm d’épaisseur déposé par évaporation métallique sur des substrats en verre).
Le balayage a été fait entre 0 et 1 ,4 V pour l’oxydation et entre 1 ,4 V et -0,6 V pour la réduction à la même vitesse de 25 mV/min pendant 10 cycles. Les films polymères obtenus par électropolymérisation ont tout d’abord été caractérisés dans le même type d’électrolyte (0,1 M de perchlorate de lithium dans l’acétonitrile). Une deuxième série de caractérisations a été réalisée en milieu aqueux avec des solutions salines de différentes concentrations (10mM-100mM de NaCI, KCI ou ZnCh) pour l’analyse de la sensibilité ionique. Les polymères suivants ont été synthétisés : polymère obtenu par électropolymérisation du monomère 6, copolymère du monomère 6 avec l’EDOT, dans des ratios molaires (EDOT/6) de 1/1 , 2/1 , 3/1 et 2/3.
La figure 5a montre la caractérisation électrochimique du monomère 6 par rapport à celle du monomère EDOT. La figure 5b montre la caractérisation électrochimique des différents copolymères du monomère 6 avec l’EDOT, dans l’ordre des courbes (en partant du haut au niveau de 0.0 en abscisse) avec des ratios EDOT/monomère 6 de 2/1 , 3/1 , 2/3 et 1/1. La figure 6a montre une image de microscopie électronique à balayage du copolymère EDOT/monomère 6 avec un ratio 3/1. La figure 6b montre une image de microscopie électronique à balayage d’un film de 20 microns formé par électropolymérisation du monomère 6.
Exemple 3 : Préparation d’encres selon l’invention
Les polymères électrolytes obtenus à l’exemple 2.1 ont été utilisés comme stabilisants dans des dispersions aqueuses du monomère EDOT pour produire par polymérisation oxydante des encres ion-sensibles à base de PEDOT.
Trois solutions aqueuses de chlorure de fer(lll) (0,036 mg ; 5,84 mmol), de persulfate d’ammonium (0,161 mg ; 36,7 mmol) et de copolymère obtenu à l’exemple 2.1 à partir des dérivés du styrène ion-sensibles 1 à 3 avec du STFSI (0,210 g - 0,420g) ont été préparées et laissées sous agitation pendant 5h avant utilisation. Après ce temps, la solution du polymère électrolyte a été transférée dans un réacteur et le monomère EDOT a été ajouté (36 uL, 0,34 mmol) puis laissé sous agitation pendant une demi-heure et sous flux d’azote à 10°C. L’ajout de la moitié des volumes des solutions d’oxydants (chlorure de fer et de persulfate d’ammonium) préparés au préalable permet de démarrer la polymérisation oxydante de l'EDOT. La réaction a été laissée pendant 64h sous atmosphère inerte. La purification a été réalisée par ultrafiltration. Un premier lavage a été fait avec une solution 1 M d’acide chlorhydrique (150 mL). Après concentration de l’encre, elle a été soumise à une deuxième dilution avec la même solution d'acide. Après agitation pendant 2 heures, un troisième et dernier lavage avec de l’eau MilliQ a été fait. L'encre a été ensuite filtrée et analysée par spectroscopie UV-Visible pour déterminer une solution contenant 1 % en matière sèche selon notre étalonnage. Pour leur stockage, les encres sont protégées de la lumière et maintenues sous agitation magnétique à température ambiante constante.
La figure 1 présente les encres synthétisées et leur comparaison avec le système de référence PEDOT :PSS. La figure 2 présente la caractérisation électrochromique du temps de dédopage d’une encre selon l’invention et la caractérisation en spectroscopie d’électro-impédance de la même encre. L’encre est une encre de PEDOT :PSTFSI 85 :PSP15Cr5SI 15, SP15Cr5SI désignant le monomère 1. Les polymères et complexes conducteurs selon l’invention peuvent former des dispersions aqueuses stables. Leurs propriétés électrochromiques sont préservées. Leur vitesse de dédopage est comparable à celle observée avec le complexe classique PEDOT:PSS.
La caractérisation des polymères, complexes conducteurs et encres selon l’invention peut être réalisée par des méthodes classiques telles que la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) ou la spectroscopie électrochromique (ECS). Quelques propriétés des polymères, complexes et encres selon l’invention dépassent même celles du complexe PEDOT:PSS, par exemple leur capacitance, propriété utile dans des dispositifs type OECT.
Exemple 4 : Etude de la cytotoxicité des encres
Exemple 4.1 : Etude préliminaire de la cytotoxicité
La cytotoxicité de ces encres a été évaluée de façon préliminaire (Figure 3) via l'observation de la morphologie des cellules d’une lignée clonale de cellules bêta en présence d’une couche mince d’un film de 3 encres selon l’invention. La composition des 3 encres est détaillée dans le tableau 2 ci-dessous:
[Tableau 2]
Les films sont des films de 150 nm déposés par centrifugation (spin coating).
Après deux jours de culture cellulaire, il n’a pas été observé de cytotoxicité significative et la croissance cellulaire a été similaire à celle dans les conditions de contrôle.
Exemple 4.2 : Etude de la mort cellulaire en présence et en absence d’encre selon l’invention Des cellules b clonales (INS832-13) ont été cultivées pendant 24h sur des lamelles de référence (a et b) ou sur des lamelles recouvertes avec une encre du polymère étudié (c et d) (dans ce cas PEDOT: PSTFSI_85 / monomère 2_15, basé dans le même stabilisant caractérisé en UV). L’effet de la thapsigargine (médicament induisant l’apoptose) a été évalué sur les cellules cultivées sur une lamelle recouverte avec l’encre selon l’invention (d) et comparé à l’effet du même médicament sur les cellules cultivées sur la lamelle de référence (b). La figure 4 présente l’évaluation de la cytotoxicité des composants indiqués. L’effet de la thapsigargine sur des cellules b-clonales (lignée INS- 832/13) sert comme contrôle positif grâce à son activité cytotoxique connue. Les lamelles ont ensuite été soumises à un marquage par fluorochrome de cellules vivantes (en vert) et cellules mortes (en rouge). Des images fusionnées sont présentées à la figure 4.
La mesure de l’apoptose en réponse à un stimulus permet d’évaluer la capacité des cellules à fonctionner de façon normale et sans dommage. Un taux faible d’apoptose est toujours observé pendant la croissance de cellules dans du milieu de culture, et il est comparable dans les deux cas étudiés (lamelles avec et sans encre selon l’invention), ce qui signifie que la croissance des cellules est normale et que la mortalité des cellules est négligeable.
La thapsigargine est un inhibiteur non compétitif de la pompe ATPase calcique du réticulum endoplasmique SERCA, qui augmente la concentration calcique intracellulaire en bloquant la capacité de la cellule à pomper le calcium dans le réticulum endoplasmique, provoquant la mort de la cellule.
Après ajout de thapsigargine, une croissance cellulaire comparable a été observée dans les deux conditions de culture (lamelles avec/sans encre selon l’invention). Dans les deux cas, la morphologie des cellules est nettement affectée par la présence de thapsigargine. On note la diminution du nombre de cellules et l’apparition de la coloration rouge sous condition apoptotique (b, d) tandis que les cellules sont plus nombreuses et vivantes en présence des couches minces d’encre sans thapsigargine.
Le rapport (cellules mortes)/(cellules mortes + cellules vivantes) a été calculé en présence et en absence d’encre selon l’invention (Fig. 4(e)) et il est comparable dans les deux cas, ce qui démontre que les encres selon l’invention ne sont pas cytotoxiques dans ces conditions.
Exemple 5 : Fabrication de transistors orqano-électrochimiques
Finalement, divers transistors organo-électrochimiques (OECT) ont été fabriqués avec les encres synthétisées à l’exemple 3, notamment PEDOT: PSTFSI_85 / monomère 2 15 et PEDOT: PSTFSI 95 / monomère 2 5. a. Transistor déposé par évaporation
La figure 7 présente un schéma de fabrication et de caractérisation d’un OECT selon l’invention, la figure 8 présente les résultats de caractérisation desdits transistors. La fabrication a été faite par des méthodes classiques d’évaporation métallique et l’utilisation de masques pour la définition des électrodes. L’encre utilisée est PEDOT: PSTFSI_85 / monomère 2_15. Le dépôt de l’encre a été fait par centrifugation ( spin coating). La caractérisation a été réalisée en milieu aqueux.
La caractérisation physique des OECT, présentant des figures de mérites dans les mêmes ordres de grandeur que celles décrites dans l’état de l’art, a permis de démontrer la potentielle utilisation des matériaux selon l’invention comme matériaux conducteurs mixtes et comme matériaux actifs dans les dispositifs de type OECT. En effet, l’obtention d’une courbe de transfert (ID sur la figure 8) avec un état initial conducteur (« on ») avec un courant de 8,7 mA (max ID, axe Y gauche) et qui passe à courant nul, 0 mA, état non conducteur (« off ») lorsque le voltage de grille est appliqué (à Vg =0,6 - 0,8V ; axe X) indique que le matériau conduit des électrons et des ions, étant bien un « conducteur mixte ». De plus, l’amplification maximale, connue comme maximum de transconductance (gm), est de l’ordre des valeurs trouvées dans l’état de l’art pour des dispositifs fabriqués avec du PEDOT:PSS.
b. Transistor déposé par lithographie
Un autre transistor OECT a été fabriqué par lithographie avec l’encre PEDOT: PSTFSI_85 / monomère 2_15. La courbe de transfert et la courbe de transconductance correspondante sont présentées à la figure 9. Cette courbe démontre, comme pour le transistor déposé par évaporation, la conduction mixte d’ions et d’électrons dans le film d’encre qui sert de canal dans le transistor. La courbe de transfert est réalisée à une différence de tension entre source et drain de -0.4V. Les dimensions du transistor sont les suivantes : largeur 10 micromètres, longueur 100 micromètres et épaisseur 100 nanomètres.
c. Etude de la sélectivité
Les OECT ont été caractérisés dans des électrolytes en présence de différents cations cibles et de leurs compétiteurs. La sélectivité ionique est déterminée en calculant le ratio des pentes des régressions linéaires des courbes de transfert pour un cation cible et son compétiteur. Le tableau 3 présente les résultats obtenus pour un transistor obtenu avec une encre PEDOT: PSTFSI_85 / monomère 2_15 et un transistor contrôle avec du PEDOT :PSTFSI. [Tableau 3]
l’invention, notamment par rapport au transistor de référence PEDOT :PSTFSI pour lequel le ratio est de 1.
Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l’invention dans le cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
dans laquelle
A est un monomère polymérisable, dans lequel un monomère polymérisable est un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère,
L est un bras espaceur, dans lequel le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote et/ou d’oxygène, et
B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
dans un procédé de revêtement d’une électrode ou de fabrication d’un transistor organo-électrochimique,
dans laquelle soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est un polymère conducteur électronique, soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est non conducteur électronique et est utilisé sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
2. Utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I) selon la revendication 1 , dans laquelle A est choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate, et le 3,4-éthylènedioxythiophène.
3. Utilisation d’au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est utilisé sous la forme d’une encre.
4. Encre conductrice comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, dans lequel un monomère polymérisable est un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère, L est un bras espaceur, dans lequel le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote et/ou d’oxygène, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+, dans laquelle soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est un polymère conducteur électronique, soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est non conducteur électronique et est sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
5. Transistor organo-électrochimique comprenant comme film semi- conducteur un film comprenant au moins un polymère comprenant au moins un motif de formule (I)
dans laquelle A est un monomère polymérisable, dans lequel un monomère polymérisable est un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère, L est un bras espaceur, dans lequel le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote et/ou d’oxygène, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
dans lequel soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est un polymère conducteur électronique, soit le polymère comprenant au moins un motif de formule (I) est non conducteur électronique et est sous la forme d’un mélange avec un autre polymère conducteur électronique.
6. Utilisation d’un transistor organo-électrochimique selon la revendication 5 pour la détection d’au moins un flux d’un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ au niveau d’une cellule ou d’un ensemble de cellules.
7. Utilisation d’un transistor organo-électrochimique selon la revendication 5 pour la détection de la présence et/ou la quantification d’au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+ dans un échantillon liquide issu d’un organisme biologique, dans un échantillon liquide environnemental, ou dans un échantillon liquide prélevé lors de la surveillance d’un procédé chimique.
8. Polymère comprenant au moins un motif de formule (I) dans laquelle A est un monomère polymérisable, dans lequel un monomère polymérisable est un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère, L est un bras espaceur, dans lequel le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote et/ou d’oxygène, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
et dans laquelle A est choisi dans le groupe constitué par le styrène, le styrène sulfonate et le 3,4-éthylènedioxythiophène.
9. Polymère selon la revendication 8, dans lequel le polymère est un copolymère comprenant en outre au moins un motif choisi dans le groupe constitué par les motifs EDOT, les motifs styrène(trifluorométhanesulfonyl)imide, les motifs styrène, les motifs styrène sulfonate, et les motifs de formule (I) avec A, L et/ou B différents de ceux du premier motif de formule (I).
10. Polymère selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le motif de formule (I) est choisi dans le groupe constitué par :
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2,
- la N-(4-vinylbenzyl)(pyridin-2-yl)-N-((pyridin-2-yl)methyl)méthylamine 3,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine
6,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine
7,
la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2- yl)methyl)méthanamine 8,
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther
9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther
10.
1 1. Monomère de formule (II)
A— 1—8
dans laquelle A est un monomère polymérisable, dans lequel un monomère polymérisable est un monomère comprenant au moins une fonction réactive capable de former une liaison covalente avec un autre monomère, L est un bras espaceur, dans lequel le bras espaceur est un groupement comprenant au moins un atome de carbone, d’hydrogène, de phosphore, de soufre, d’azote et/ou d’oxygène, et B est un groupement chimique capable de complexer ou chélater au moins un ion choisi dans le groupe constitué par K+, Na+, Ca2+ et Zn2+,
dans lequel le monomère est choisi dans le groupe constitué par :
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-ylamine 1,
- la 4-vinylbenzyl(sulfonyl)-4'-(benzo-18-couronne-8)-ylamine 2,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther 4,
- le 4-vinylbenzyl-4'-(méthyl-18-couronne-8)-méthyléther 5,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-15-couronne-5)-méthylamine
6,
- la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-4'-(benzo-18-couronne-6)-méthylamine
7,
la (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-N,N-bis((pyridin-2- yl)methyl)méthanamine 8,
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-15-couronne-5)-méthyléther
9, et
- le (2,3-dihydrothiéno[3,4-b][1 ,4]dioxin-2-yl)-2-(méthyl-18-couronne-6)-méthyléther
10.
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