FR3116120A1 - Dispositif intégrant des électrodes conformées en 3D - Google Patents

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Thierry Noguer
Georges Istamboulie
Hussein KANSO
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Universite de Perpignan
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Abstract

Dispositif comprenant les trois électrodes suivantes : - une électrode de travail (3) ; - une électrode de référence (2) ; et - une contre-électrode (1) ; caractérisé en ce que chaque électrode comporte un corps allongé (5) et une pièce conformée en trois dimensions (4), laquelle pièce étant positionnée à l’extrémité dudit corps allongé (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif intégrant des électrodes conformées en 3D
La présente invention est du domaine des dispositifs comme les capteurs, en particulier des biocapteurs, comprenant au moins une électrode qui est réalisée par une impression tridimensionnelle, et, concerne plus particulièrement l’utilisation de tels biocapteurs pour réaliser une culture de microorganisme par voie électrochimique.
Les procédés mettant en œuvre une impression tridimensionnelle, ou impression en trois dimensions (3D), consistent le plus souvent en un dépôt d’un matériau polymère en fusion, les polymères qui peuvent être utilisés dans ce cadre sont par exemple de l’ABS, du PLA, un époxy, du PVC, du PC, du PP, du PS, du PU, etc. ; lesquels polymères pouvant comporter des charges pour en modifier les propriétés.
Des exemples de fabrication de capteurs mettant en œuvre des imprimantes 3D sont connus de la demande FR 3 029 838 A1, qui a recours à l’usage de différents types de polymères diélectriques, conducteurs, ou électroactifs qui sont déposés couche par couche. Le procédé décrit dans FR 3 029 838 vise pour l’essentiel au contrôle du positionnement et du dimensionnement des capteurs en fonction de la morphologie de l’objet dans lequel ils sont intégrés, cependant la conception d’électrodes de conformation complexe n’est pas réalisable par cette méthode qui donne essentiellement accès à la fabrication d’électrodes de forme aplatie. Les capteurs décrits dans cette demande française sont spécifiquement dédiés à certaines applications du domaine de la mécatronique, imposant notamment que lesdits capteurs soient insérés dans un système de plusieurs couches de polymères, et ne sont pas bien conformés pour d’autres utilisations.
La demande de brevet EP 3 576 503 A1 décrit la fabrication d’électrodes conductrices ou isolantes en ayant recours à des moyens d’impression 3D, ce procédé de fabrication est dédié à l’obtention d'un outil de contrôle de l'humidité comportant des éléments plats et n’est pas adapté à la reproduction de pièces d’électrode en volume.
Le recours à l’utilisation d’impression en bidimensionnel (2D) est assez répandu pour la fabrication d’électrodes, mais il présente les inconvénients d’être limité à la fabrication d’objets de forme plate et ne permet donc pas de réaliser des éléments comportant par exemple des parties tubulaires ou sphériques.
Pour pallier tout ou partie des inconvénients susmentionnés de l’état de la technique, la présente invention concerne un dispositif comprenant les trois électrodes suivantes :
- une électrode de travail ;
- une électrode de référence ; et
- une contre-électrode (également qualifiée d’électrode auxiliaire) ;
dans lesquelles chaque électrode comporte un corps allongé et une pièce conformée en trois dimensions, laquelle pièce étant positionnée à l’extrémité dudit corps allongé. Le corps allongé est de manière préférée une tige. Grâce à une telle configuration, le signal obtenu est considérablement amplifié, comparativement à un dispositif de l’art antérieur comprenant uniquement des électrodes de forme plate.
Un tel dispositif est avantageusement obtenu en réalisant une impression 3D (trois dimensions), dans laquelle les étapes de fabrication des éléments du dispositif selon l’invention, et en particulier les électrodes et la contre-électrode, mettent en œuvre une imprimante 3D.
L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Avantageusement, la pièce conformée en trois dimensions comporte une paroi contenant une partie convexe. La partie convexe assure une surface active permettant une meilleure interaction avec l’électrolyte.
Avantageusement, ledit dispositif comporte au moins une électrode intégrant une partie concave. Une telle conformation permet de faire coopérer électriquement des parties concaves avec les éléments convexes et ainsi d’augmenter considérablement la surface de contact, et par suite d’envisager une miniaturisation des composants électroniques.
Dans le cadre de l’invention, le terme « concave » définit des parties creuses sensiblement sous la forme d’arrondies, comme tout ou partie de l’intérieur d’une sphère, mais concerne également toute forme géométrique creuse pouvant notamment présenter des parties angulaires rentrantes (intérieur du sommet d’un cube, etc).
Dans le cadre de l’invention, le terme « convexe » définit des parties pleines sensiblement sous la forme d’arrondies, comme tout ou partie de l’extérieur d’une sphère, mais concerne également toute forme géométrique pleine pouvant notamment présenter des parties angulaires saillantes (extérieur du sommet d’un cube, etc).
Avantageusement, les électrodes sont obtenues à partir d’au moins un matériau conducteur, de préférence sous la forme d’un filament, et d’au moins un matériau non-conducteur, de préférence sous la forme d’un filament.
Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau conducteur comporte d’une part un polymère sélectionné de préférence parmi une résine époxy, également qualifié de polyépoxy (époxy), et un acide polylactique (PLA) et d’autre part au moins une charge sélectionnée parmi des particules de carbone, de préférence sous forme graphite, et de l’oxyde de graphène, les particules de carbone étant plus avantageusement sous forme de nanotubes.
Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau non-conducteur un polymère sélectionné parmi un acrylonitrile butadiène styrène (ABS), un acide polylactique (PLA), un polyester (PES), un polyépoxyde (époxy), un polychlorure de vinyl (PVC), un polycarbonate (PC), un polypropylène (PP), un polystyrène (PS), un polyuréthane (PU) et du polyéthylène (PE). Avantageusement, le matériau non-conducteur est choisi parmi un ABS, un PLA, un PP et du PE, ce qui permet de réaliser des cellules de mesures intégrant un système fluidique.
Le dispositif selon l’invention comporte une cellule dans laquelle sont montées, voire fixées, les trois électrodes : l’électrode de travail, l’électrode de référence et la contre-électrode. Ladite cellule comporte avantageusement un réservoir contenant un électrolyte.
Le terme « cellule » utilisé dans le cadre de l’invention, définit une cellule électrochimique en tant que dispositif intégrant au moins une électrode de travail, une électrode de référence et une électrode auxiliaire permettant d’appliquer et/ou de mesurer un potentiel et/ou une intensité électrique et/ou de générer un courant électrique.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention est avantageusement un capteur, voire un biocapteur. Le biocapteur est suivant un mode de réalisation avantageux un biocapteur électrochimique, c'est-à-dire un biocapteur prévu pour l’analyse d’un composant ou d’une composition, par exemple dans l’optique d’identifier un contaminant. Un tel capteur permet le contrôle de procédés dans le secteur de l’agroalimentaire, de l’environnement, voire du diagnostic médical. Dans ce cadre, le biocapteur selon l’invention est avantageusement un biocapteur enzymatique à glucose oxydase prévu pour la détection du glucose. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le biocapteur selon l’invention est un biocapteur aptamérique prévu pour la détection de la tétracycline. La tétracycline est un antibiotique largement utilisé en médecine vétérinaire et humaine qui fait partie des contaminants émergents de l’environnement, il est donc important de pouvoir la détecter avec des seuils de détection contrôlés.
Dans le cadre de la présente invention, le terme « biocapteur » est l’équivalent des termes « capteur biologique », et consiste en une association d’un capteur avec un élément biologique telle qu’une enzyme, un anticorps ou un acide nucléique.
Dans le cadre de la présente invention, le terme « biocapteur aptamérique » désigne un capteur utilisant des séquences d’oligonucléotides synthétiques sélectionnés in vitro, ayant une affinité spécifique pour un analyte, par exemple la tétracycline.
La présente invention concerne aussi une électrode, ou une contre-électrode, comportant une pièce conformée en trois dimensions, susceptible d’être obtenue par une impression 3D.
La présente invention concerne également une utilisation du dispositif selon l’invention, dans lequel le dispositif comporte des électrodes mises en œuvre dans la culture de microorganismes. Ainsi, les électrodes desdits biocapteurs peuvent avantageusement être utilisées à des fins de culture par voie électrochimique, consistant à cultiver des microorganismes sous l’effet d’un potentiel électrique.
Le dispositif selon l’invention est avantageusement utilisé pour la mise en œuvre de cultures microbiologiques et/ou comme unité électrochimique d’une biopile.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’électrodes mettant en œuvre un module d’impression tridimensionnelle comprenant les étapes suivantes :
1) extrusion et dépôt de fil fondu ;
2) déposition d’encre pour conférer une propriété électrochimique ;
3) électrodéposition de nanoparticules d’or ; et
4) de préférence, immobilisation des molécules.
La présente invention concerne aussi une électrode susceptible d’être obtenue selon le procédé mis en œuvre dans le cadre de la présente invention.
D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit, faite dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
la représente selon une vue en perspective quatre modes de réalisation d’électrodes intégrées dans les capteurs selon l’invention ;
la représente selon une vue en perspective, et en partie, une cellule d’un capteur selon l’invention ;
la représente selon une vue en perspective, une autre partie que celle montrée à la d’une cellule d’un capteur selon l’invention suivant le même mode de réalisation que pour la ;
la représente selon une vue en perspective, en partie, une cellule d’un capteur selon l’invention suivant un autre mode de réalisation que celui représenté à la ;
la représente selon une vue de dessus, la cellule montrée à la avec des électrodes ; et
la représente pour les deux modes de réalisation montrées aux figures 2 et 4 les cellules dans lesquelles sont fixées les trois électrodes.
La illustre quatre types d’électrodes en 3D, c'est-à-dire en trois dimensions, développées dans le cadre de l’invention ; le système décrit est basé sur un système à trois électrodes : une contre-électrode 1, une électrode de référence 2 et une électrode de travail 3. La contre-électrode 1, l’électrode de référence 2 et l’électrode de travail 3 comportent une pièce conformée en trois dimensions 4 contenant au moins une surface convexe et un corps allongé 5, sous la forme d’une tige selon un mode de réalisation préféré, la tige portant ladite pièce conformée en trois dimensions 4. La pièce conformée en trois dimensions de l’électrode de travail 3 comporte un élément en forme de sphère qui peut intégrer des perforations, suivant un mode de réalisation (3a), ou être sans perforation, suivant un autre mode de réalisation (3b) comme cela est illustré sur la .
La illustre une partie d’un capteur, la cellule 6, laquelle est montrée dans son intégralité à la , et est matérialisée par les éléments 6a et 6b qui seront décrits ci-après. Les trois électrodes du système à trois électrodes 3D - décrit en détail ci-avant et montrées à la - doivent être reliées à la cellule 6. La cellule 6 est le support du système à trois électrodes et forme avec les électrodes la partie électrochimique en tant que telle d’un dispositif tel que le capteur, et, intègre notamment les éléments qui contiennent l’électrolyte. La partie montrée sur la constitue plus particulièrement un élément qualifié de partie haute 6a de la cellule 6. Le corps allongé 5 de la contre-électrode 1 est prévu pour être logé dans un canal vertical sélectionné parmi les quatre canaux verticaux décrits plus loin dans la description, le corps allongé 5 de l’électrode de travail 3 est prévu pour être logé à travers une première ouverture centrale 8, et, la surface convexe de l’électrode de référence 2 se fixe sur un premier compartiment 9 et son corps allongé 5 est prévu pour être logé à travers une deuxième ouverture centrale 10 (ou 7).
La cellule 6 intègre en outre des canaux permettant de coupler le capteur à un système fluidique. Pour mieux les visualiser, deux sous-parties 6a1 et 6a2 de la partie haute 6a sont également montrées sur la , et correspondent à deux blocs de la cellule figurant respectivement sous les plans de coupe AA’ et BB’. La partie haute 6a de la cellule 6 comporte des canaux internes comprenant : un canal torique 11 ; un canal horizontal 12 ; et quatre canaux verticaux 13 reliés au canal torique 11. L’ensemble de ces canaux 11, 12, 13 assure la sortie de l’électrolyte contenu dans un deuxième compartiment 14. La multiplicité de ces canaux permet de limiter la formation de bulles et d’éviter l’existence de flux préférentiels.
La illustre d’autres éléments du capteur appartenant à la cellule, et, la partie montrée sur la constitue plus particulièrement la partie basse 6b de la cellule 6.
Des ouvertures 15a et 15b (figures 2 et 3) ménagées dans la partie haute 6a et la partie basse 6b de la cellule 6 permettent la fixation de la partie haute 6a sur la partie basse 6b à l’aide de moyens de fixation (vis, aimants, etc) passant à travers lesdites ouvertures 15a, 15b. Un rebord en saillie 16 de la partie haute de la cellule 6a est prévu pour coopérer avec un joint d’étanchéité 17 positionné sur la partie basse de la cellule 6b pour assurer l’étanchéité de la cellule 6.
Comme montré sur la , la partie basse 6b de la cellule peut incorporer un réservoir 18 permettant d’alimenter la cellule et de faire fonctionner le système en circuit fermé. Des sous-parties de la partie basse 6b de la cellule 6 correspondent à deux blocs de la cellule figurant sous les plans de coupe CC’ et DD’ de la , et concernent pour la sous-partie sous le plan CC’ une première sous-partie 6c, et pour la sous-partie sous le plan DD’ une deuxième sous-partie 6d. Le fond 19 du réservoir 18 est de forme conique et comporte un premier perçage 20 connecté à un canal horizontal 21 permettant l’alimentation de la cellule par l’électrolyte au travers d’une ouverture centrale 22. La contre électrode se fixe sur l’ouverture centrale 22 de sorte que sa surface convexe extérieure repose sur un corps intérieur 23 de la partie basse 6b de la cellule 6.
La illustre un autre mode de réalisation d’une partie basse 6b d’une cellule 6 d’un capteur selon l’invention à laquelle est reliée un système à trois électrodes 3D tel que décrit ci-avant. La partie montrée sur la comporte plus particulièrement une partie basse 6b de la cellule sensiblement identique au mode de réalisation présenté dans les derniers paragraphes, mais sans réservoir. Une sous-partie de la partie basse 6b de la cellule correspond au bloc 6e de la cellule figurant sous le plan de coupe EE’ de la . La partie basse 6b comporte un canal latéral 24 assurant l’entrée de l’électrolyte dans la cellule 6.
La montre un premier ensemble 25 comportant la partie haute 6a de la cellule 6, ainsi que l’électrode de référence 2 et l’électrode du travail 3 toutes deux fixées dans ladite partie haute 6a. La montre également un deuxième ensemble 26 comportant la partie basse 6b et la contre électrode 1 fixée dans ladite partie basse 6b.
La illustre deux modes de réalisation d’ensembles comportant une cellule sans réservoir 27, ou une cellule avec réservoir 28, et le système avec les trois électrodes 1, 2 et 3 fixées dans lesdites cellules 27, 28.
PREPARATION DES ELECTRODES ET FABRICATION DES CAPTEURS :
Pour réaliser une première étape d’extrusion et de dépôt de filament fondu, des électrodes incluant tous leurs détails dimensionnels sont dessinées sur un logiciel de dessin 3D (trois dimensions), la version 0.16 du logiciel FreeCAD, et exportées en format compatible avec les logiciels d’impression 3D. Alternativement, logiciel d’impression peut être Ultimaker Cura 4. Ledit logiciel pilote la tête d’impression d’une imprimante 3D de la marque Anet® commercialisé sous la référence A8, ou une imprimante 3D de la marque MASS PORTAL® commercialisé sous la référence Pharaoh XD30 Triple. Le logiciel pilote la tête d’impression en la déplaçant selon les coordonnées X, Y et Z (longueur, largeur et hauteur) prédéterminées par le dessin, et en déposant couche par couche un filament conducteur fondu à 220°C avec une haute précision. Ces couches déposées sont refroidies instantanément par un flux d’air, et en se superposant elles donnent forme à l’électrode.
Les matériaux utilisés pour former les filaments sont sélectionnés parmi :
  • de l’acide polylactique (PLA) comportant des nanotubes de carbone, par exemple le polymère commercialisé par la société Fiber Force® sous la référence commerciale Nylforce® CNT Conductive, convient parfaitement pour fabriquer les électrodes ;
  • du polypropylène (PP) de couleur blanche de 1,75 mm d’épaisseur de qualité alimentaire, par exemple le filament polypropylène commercialisé sous la référence Centaur PP par la société Formfutura™, convient particulièrement pour fabriquer des cellules avec réservoir ; et
  • un copolymère de polyéthylène téréphtalate et de glycol (PETG) de couleur orange, par exemple le filament de PETG commercialisé par la société PRUSA RESEARCH®, convient pour fabriquer des cellules.
Ensuite, un dépôt d’encres comportant des propriétés électrochimiques est réalisé : la section de la sphère de l’électrode de Référence (illustrée en .b), est recouverte d’une émulsion de Ag/AgCl (commercialisé sous la référence Electrodag 6037SS par la société ACHESON®). Dans le cadre du développement du capteur à glucose oxydase la sphère de l’électrode de travail a été recouverte d’une émulsion modifiée par le Bleu de Prusse (commercialisé sous la référence C2070424P2, par la société Gwent Electronic Materials®).
Une étape d’électrodéposition de nanoparticules d’or est ensuite mise en œuvre pour créer une fine couche d’or à la surface des électrodes, permettant d’une part d’en améliorer la conductivité, et de permettre la fixation aisée par covalence de biomolécules possédant des groupements thiol (SH). L’électrodéposition est réalisée en faisant circuler dans la cellule une solution d’acide chloraurique (HAuCl4à 10 mM dans H2SO40,5 M) et en balayant le potentiel entre 1 V et -1,9 V vs Ag/AgCl (vitesse de balayage 50 mV.sec-1) pendant 25 balayages.
Une étape supplémentaire d’immobilisation de molécules biologiques ou biomimétiques - une molécule biomimétique étant une molécule synthétisée in vitro mimant au moins une fonction d’une molécule biologique - comportant au moins une des sous étapes suivantes, est ensuite réalisée :
- une immobilisation chimique : l’électrode de travail préalablement modifiée avec des nanoparticules d’or est incubée pendant 15 mn avec une solution d’aptamère à 1 µM modifié en 5’ avec une fonction SH ; et
- une immobilisation physique : l’inclusion de la molécule biologique (enzyme, etc) ou biomimétique (aptamère, etc) s’effectue lors de la polymérisation d’un pré-polymère photopolymérisable de polyvinylalcool PVA-AWP (l’acronyme anglosaxon « AWP » de Azide-unit Pendant Water soluble) pris dans une concentration massique à 6 % dans l’eau et commercialisé par la société Toyo Gosei Kogyo Ltd™. La solution contenant le biorécepteur est tout d’abord diluée avec de l’eau distillée. Après une brève agitation au vortex, suivie d’une courte centrifugation, le pré-polymère de PVA est ajouté dans des proportions 1 :1. Après une seconde agitation indispensable à l’homogénéisation, 10 µL de ce mélange sont déposés avec une micropipette à déplacement positif sur la surface de la sphère de l’électrode de travail. L’électrode est alors exposée à la lumière d’un néon pendant 3 h à 4°C. Le pré-polymère forme sous l’effet de la lumière un réseau polymérique dans lequel le biorécepteur est piégé.

Claims (15)

  1. Dispositif comprenant les trois électrodes suivantes :
    - une électrode de travail (3) ;
    - une électrode de référence (2) ; et
    - une contre-électrode (1) ;
    caractérisé en ce que chaque électrode comporte un corps allongé (5) et une pièce conformée en trois dimensions (4), laquelle pièce étant positionnée à l’extrémité dudit corps allongé (5).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pièce conformée en trois dimensions comporte une paroi contenant une partie convexe.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit dispositif comporte au moins une électrode intégrant une partie concave.
  4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les électrodes sont obtenues à partir d’au moins un matériau conducteur et d’au moins un matériau non-conducteur.
  5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le matériau conducteur comporte au moins un polymère choisi entre une résine époxy et un acide polylactique, et, au moins une charge sélectionnée parmi des particules de carbone et de l’oxyde de graphène.
  6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le matériau non-conducteur est sélectionné parmi un acrylonitrile butadiène styrène, un acide polylactique, un polyester, un polyépoxyde, un polychlorure de vinyl, un polycarbonate, un polypropylène, un polystyrène, un polyuréthane et du polyéthylène.
  7. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit dispositif comporte une cellule (6) dans laquelle sont montées les trois susdites électrodes.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la cellule (6) du capteur comporte un réservoir 18 contenant un électrolyte.
  9. Dispositif selon l’une des revendications 7 ou 8, dans lequel le dispositif est un biocapteur.
  10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le biocapteur est un biocapteur électrochimique.
  11. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 10, dans lequel le biocapteur est un biocapteur enzymatique à glucose oxydase prévu pour la détection du glucose.
  12. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 10, dans lequel le biocapteur est un biocapteur aptamérique prévu pour la détection de la tétracycline.
  13. Utilisation du dispositif selon l’une des revendications 9 à 12, dans lequel le dispositif comporte des électrodes mises en œuvre dans la culture de microorganismes.
  14. Procédé de fabrication d’électrodes mettant en œuvre un module d’impression tridimensionnelle comprenant les étapes :
    1) extrusion et dépôt de filament fondu ;
    2) déposition d’encre pour conférer une propriété électrochimique ; et
    3) électrodéposition de nanoparticules d’or.
  15. Electrode susceptible d’être obtenue selon le procédé selon la revendication 14.
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