Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.

Establishing highly sophisticated polymer films for delivery systems in a biological environment and bioanalytical tasks, the formation, thickness, swelling behavior, and (physiological) stability of highly biocompatible polyelectrolyte multilayers (PEMs) are described. These PEMs are composed of the very weak polycation maltose-modified hyperbranched poly(ethyleneimine) (PEI-Mal), strongly polyanion heparin sodium salt (HE − Na +) or weakly charged polyanion hyaluronic acid sodium salt (HA-Na+) deposited on Si wafer substrates. Two different glyco architectures for PEI-Mal are used, characterized by two different degrees of maltose decoration on a PEI scaffold. Using three pH-dependent deposition approaches for optimizing the (physiological) PEM stability and swelling, PEMs are characterized by (in situ) ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and (in situ) attenuated total reflection-Fouriertransform infrared (ATR-FTIR). Thus, PEMs reveal significantly different thicknesses, growth mechanisms (linear versus exponential), and swelling behavior in dependence of both the polycation architectures and the deposition protocol. These PEMs will allow the study of their complexation and release properties as preswollen PEMs against anionic drug molecules, adenosine triphosphate sodium salt (ATP), especially under physiological conditions for future drug delivery coatings.

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode. / The main objective of this thesis is the development of a conductive enzyme immobilisation template for laccase through microencapsulation allowing an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode for application in biofuel cells. First, p-phenylenediamine was used as substrate for the characterisation of the microencapsulated laccase. The diffusion of this substrate through the microcapsules was studied under various conditions by means of its electrochemical and enzymatic oxidation processes in order to assess its reversibility and stability. Cyclic voltammetry, rotating disk electrode and Clark electrode were the techniques used in this study. Moreover, poly(aminocarbazole) compounds and their derivatives were identified to replace poly(ethyleneimine) in the fabrication of the microcapsules. These polymers exhibit primary amines (mono- or di-amino) that could be available for an interfacial polymerisation using a cross-linker agent. Also, the monomer 1,8-diaminocarbazole presents the desired electrochemical propreties for an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode. Therefore, a synthetic pathway was developed in order to synthesise this monomer since the available literature protocol was considered inappropriate for large scale synthesis. As for the direct synthesis of the poly(1,8-diaminocarbazole), to our knowledge, there is no protocol currently available. Two structural isomers (1,6 and 1,8-diaminocarbazole) were thus synthesised in two steps. The first step consists in the electrophilic substitution of 3,6-dibromocarbazole in 1,8 and/or 1,6 positions by nitro groups. This step was followed by a dehydrodehalogenation reaction that comes along with reduction of nitro to amino functions using Et3N and 10% Pd/C as the catalyst in methanol under H2 flux. During the first step, the 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole was also obtained and appeared to be an efficient monomer in the synthesis of the desired conductive copolymer. Finally, the fabrication of the conductive microcapsules was realised by adding the copolymer poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] to the PEI. This copolymer was synthesised in large quantities, which allowed its use in the design of microcapsules. Its electrochemical behaviour was similar in many ways to the one of poly(1,8-diaminocarbazole). These conductive microcapsules were then used to modify the surface of a platinum electrode to fabricate the bioelectrode. The main objective of this project was achieved through this final step.

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.

Establishing highly sophisticated polymer films for delivery systems in a biological environment and bioanalytical tasks, the formation, thickness, swelling behavior, and (physiological) stability of highly biocompatible polyelectrolyte multilayers (PEMs) are described. These PEMs are composed of the very weak polycation maltose-modified hyperbranched poly(ethyleneimine) (PEI-Mal), strongly polyanion heparin sodium salt (HE − Na +) or weakly charged polyanion hyaluronic acid sodium salt (HA-Na+) deposited on Si wafer substrates. Two different glyco architectures for PEI-Mal are used, characterized by two different degrees of maltose decoration on a PEI scaffold. Using three pH-dependent deposition approaches for optimizing the (physiological) PEM stability and swelling, PEMs are characterized by (in situ) ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and (in situ) attenuated total reflection-Fouriertransform infrared (ATR-FTIR). Thus, PEMs reveal significantly different thicknesses, growth mechanisms (linear versus exponential), and swelling behavior in dependence of both the polycation architectures and the deposition protocol. These PEMs will allow the study of their complexation and release properties as preswollen PEMs against anionic drug molecules, adenosine triphosphate sodium salt (ATP), especially under physiological conditions for future drug delivery coatings.

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