Biointerface: Progrès dans les interactions à l'échelle nanométrique et l'ingénierie moléculaire

Par Fouad Sabry

"Biointerface" est un ouvrage révolutionnaire de la série "DNA Origami" qui explore le monde fascinant et transformateur de la nanotechnologie et de la bio-ingénierie. Ce livre couvre une gamme de sujets essentiels à la compréhension de l'intersection de la biologie et de la science des matériaux avancés, parfait pour les professionnels, les étudiants et les passionnés. Les chapitres soigneusement organisés donnent un aperçu des innovations de pointe qui façonnent l'avenir de la médecine, de la biotechnologie et de l'électronique.

Brève présentation des chapitres :

Biointerface : Introduction au concept de biointerfaces et à leur importance en nanotechnologie.

Biotransducteur : Examine les biotransducteurs et leur rôle dans la conversion des signaux biologiques en réponses électroniques.

Nanofil de silicium : Une exploration détaillée des nanofils de silicium, en se concentrant sur leur application en bioélectronique.

Nanocomposite polymère : Étudie l'utilisation de nanocomposites polymères dans diverses applications de bio-ingénierie.

Nanomédecine : explique comment la nanotechnologie révolutionne les diagnostics médicaux et les thérapies.

Nanotechnologie verte : met l'accent sur les pratiques durables en matière de nanotechnologie, en mettant l'accent sur les solutions respectueuses de l'environnement.

Nanotechnologie : aperçu des principes fondamentaux de la nanotechnologie et de son impact croissant sur les industries.

Nanoélectronique : explore le rôle de la nanotechnologie dans le développement des appareils électroniques de nouvelle génération.

Cellule solaire hybride : couvre l'utilisation de la nanotechnologie dans le développement de cellules solaires plus efficaces.

Capteur : discute des dernières avancées en matière de technologie des capteurs, en soulignant leurs applications en médecine et au-delà.

Applications potentielles du graphène : explore le vaste potentiel du graphène et ses nombreuses applications en science et technologie.

Nanobatteries : se concentre sur le développement de batteries basées sur la nanotechnologie pour un stockage d'énergie plus efficace.

Biocapteurs électrochimiques à base d'aptamères : examine le domaine émergent des biocapteurs à base d'aptamères dans la détection de biomolécules spécifiques.

BioFET : explore les transistors à effet de champ biologique (BioFET) et leur rôle dans les applications biomédicales.

Nanofil : discute des propriétés uniques des nanofils et de leurs diverses applications en électronique et en biodétection.

ISFET : se concentre sur les transistors à effet de champ sensibles aux ions et leur rôle dans la détection biologique et environnementale.

Biocapteur : fournit un aperçu détaillé de la conception et de l'application des biocapteurs dans le diagnostic et la surveillance.

Nanobiotechnologie : discute de l'intégration de la nanotechnologie et de la biotechnologie pour des applications révolutionnaires dans les soins de santé.

Peptide auto-assemblant : explore comment les peptides auto-assemblants sont utilisés dans la création de nanostructures pour diverses applications.

Nanocapteur : couvre le développement et les applications des nanocapteurs dans la détection d'agents biologiques et chimiques.

Nanochimie : fournit une introduction à la nanochimie, en mettant l'accent sur son rôle dans l'avancement de la nanotechnologie et de la science des matériaux.

Ce livre est essentiel pour quiconque s'intéresse à l'avenir de la biotechnologie, de la bio-ingénierie et de la nanotechnologie. Il offre des connaissances inestimables aux étudiants de premier et de deuxième cycle, aux professionnels et à toute personne désireuse de comprendre les éléments de base moléculaires

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 14 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Biointerface

Une biomolécule, une cellule, un tissu biologique, une créature vivante ou une substance organique considérée comme vivante peut être considérée comme ayant une biointerface lorsqu'elle entre en contact avec un autre biomatériau ou une matière inorganique/organique. Cette zone de contact est connue sous le nom de biointerface. Le besoin pressant d'acquérir une compréhension plus profonde des interactions qui ont lieu entre les biomolécules et les surfaces est la force motrice du domaine de la recherche sur les biointerfaces. Dans les domaines de la biologie, de la biotechnologie, du diagnostic et de la médecine, il est très important de comprendre comment se comportent les systèmes macromoléculaires complexes aux interfaces entre différents matériaux. La science des biointerfaces est un domaine multidisciplinaire dans lequel les biochimistes qui synthétisent de nouvelles classes de biomolécules (acides nucléiques peptidiques, peptidomimétiques, aptamères, ribozymes et protéines modifiées) collaborent avec d'autres scientifiques qui ont développé les outils pour positionner les biomolécules avec une précision moléculaire (méthodes de sonde proximale, méthodes de nano et micro contact, lithographie par faisceau d'électrons et rayons X, et auto-assemblage ascendant (physiciens appliqués,  chimistes analytiques et bio-ingénieurs).

Voici quelques-uns des sujets d'intérêt, bien qu'il y en ait beaucoup d'autres :

Interfaces neuronales

Les cellules dans les microenvironnements qui ont été créées et la médecine régénérative.

Approches des biointerfaces basées sur le calcul et la modélisation

Membranes et biodétection à base de membranes

Aux biointerfaces, on peut trouver des peptides, des glucides et de l'ADN.

Détection des agents pathogènes et processus de pathogenèse

Interfaces moléculaires

Interfaces nanotubes/nanoparticules

La biominéralisation, les biocapteurs, les implants médicaux et d'autres sujets similaires sont liés à l'étude des biointerfaces.

Le domaine de la nanotechnologie est un domaine qui se développe à un rythme rapide et a ouvert la porte au développement d'une grande variété de nouvelles opportunités pour la production de biointerfaces. Des nanostructures telles que les nanomatériaux métalliques, tels que les nanoparticules d'or et d'argent, les matériaux semi-conducteurs, tels que les nanofils de silicium, les nanomatériaux de carbone et les matériaux nanoporeux sont souvent utilisés pour les biointerfaces. provenant de l'interface biologique.

Le silicium est un matériau souvent utilisé dans le secteur de la technologie en raison du fait qu'il est à la fois abondant et possède des qualités qui le rendent adapté à une utilisation dans les semi-conducteurs. D'autre part, la forme en vrac utilisée pour les puces informatiques et d'autres applications similaires ne se prête pas bien aux biointerfaces. Afin d'atteindre ces objectifs, des nanofils de silicium, également connus sous le nom de SiNW, sont souvent utilisés. La gravure, le dépôt chimique en phase vapeur et le dopage ne sont que quelques-unes des nombreuses façons différentes de développement et de composition des SiNW qui permettent d'adapter les attributs des SiNW aux besoins spécifiques de chaque application.

{Fin du chapitre 1}

Chapitre 2 :Biotransducteur

Le composant d'un système de biocapteurs qui est responsable de la reconnaissance et de la transduction s'appelle un biotransducteur. Il est composé de deux composants étroitement liés l'un à l'autre : une couche de bioreconnaissance et un transducteur physico-chimique. Ces deux composants prennent un signal biologique et le convertissent en un signal électronique ou optique grâce à leurs efforts combinés. De plus, une enzyme ou un autre type de protéine de liaison, comme un anticorps, est souvent présent dans la couche de bioreconnaissance. D'autre part, la couche de bioreconnaissance peut également être composée de séquences d'oligonucléotides, de fragments subcellulaires tels que des organites (par exemple, les mitochondries) et des fragments porteurs de récepteurs (par exemple, la paroi cellulaire), de cellules entières uniques, d'un petit nombre de cellules sur des échafaudages synthétiques ou de fines tranches de tissus animaux ou végétaux. La sélectivité et la spécificité sont toutes deux fournies par celui-ci au biocapteur. Dans la plupart des cas, le transducteur physico-chimique se trouve à proximité de la couche de reconnaissance, et cette proximité se fait dans des conditions régulées. Une modification physicochimique se forme dans la couche de bioreconnaissance en raison de la présence et de l'action biochimique de l'analyte (cible d'intérêt). Ce changement est surveillé par le transducteur physicochimique, qui produit un signal proportionnel à la concentration de l'analyte en transmettant le signal.  Les transducteurs électrochimiques, optiques, électroniques, gravimétriques, pyroélectriques ou piézoélectriques sont autant d'alternatives possibles au transducteur physico-chimique. Les biocapteurs peuvent être classés de la manière illustrée à droite, en fonction du type de biotransducteur qu'ils utilisent.

Il existe un composant de bioreconnaissance qui est présent dans les biocapteurs électrochimiques. Ce composant réagit préférentiellement avec l'analyte d'intérêt, ce qui entraîne la production d'un signal électrique proportionnel à la concentration de l'élément. En général, il existe différentes méthodes qui peuvent être utilisées pour identifier les altérations électrochimiques qui se produisent lors d'un événement de bioreconnaissance. Ces méthodes peuvent être classées comme suit : ampérométrique, potentiométrique, impédance et conductométrique.

La détection des changements de courant qui se produisent à la suite de l'oxydation ou de la réduction électrochimique est le travail des transducteurs ampérométriques. L'immobilisation de la molécule bioréceptrice sur l'électrode de travail, qui est généralement faite d'or, de carbone ou de platine, est la procédure typique. Après avoir établi une valeur constante de la tension qui existe entre l'électrode de travail et l'électrode de référence (qui est souvent Ag/AgCl), le courant est ensuite mesuré par rapport au passage du temps. La réaction de transfert d'électrons est entraînée par la tension appliquée au système. La vitesse à laquelle les électrons sont transférés peut être directement mesurée par le courant créé.  Bien que le courant soit le reflet de la réaction qui a lieu entre la molécule bioréceptrice et l'analyte, son amplitude est limitée par la vitesse à laquelle l'analyte est transporté vers l'électrode.

L'accumulation de potentiel ou de charge d'une cellule électrochimique est ce que les capteurs potentiométriques sont capables de mesurer. Une électrode de référence et une électrode sélective d'ions (ISE) sont les deux composants couramment inclus dans le transducteur.  L'ISE est équipé d'une membrane qui interagit sélectivement avec l'ion chargé d'intérêt, ce qui entraîne l'accumulation d'un potentiel de charge par rapport à l'électrode de référence. Un potentiel constant d'une demi-cellule est fourni par l'électrode de référence, qui n'est pas affectée par la concentration de l'analyte. La force ou le potentiel électromoteur entre les deux électrodes peut être mesuré à l'aide d'un voltmètre à haute impédance lorsqu'il n'y a pas de courant considérable circulant entre elles ou au moins aucun courant circulant entre elles. L'équation de Nernst est celle qui régit la réponse potentiométrique. Cette équation stipule que le potentiel est proportionnel au logarithme de la concentration de l'analyte auquel il est appliqué.

Le processus d'évaluation des changements dans les caractéristiques résistives et capacitives qui sont provoqués par un événement de bioreconnaissance est connu sous le nom de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Il est courant d'appliquer un stimulus électrique sinusoïdal de faible amplitude, ce qui entraîne le flux de courant à travers le composant du biocapteur. Dans le but d'obtenir le spectre d'impédance, la fréquence est modulée sur une plage. Les réponses de courant en phase et hors phase sont utilisées pour calculer les composantes résistive et capacitive de l'impédance, respectivement. Un dispositif traditionnel à trois électrodes est généralement conçu pour être spécifique à l'analyte en immobilisant un élément de bioreconnaissance à la surface. Ceci est fait afin d'obtenir des résultats plus précis. D'autre part, le courant est mesuré pendant qu'une tension est appliquée. En conséquence de la liaison de l'analyte, il y a un changement de l'impédance interfaciale qui existe entre l'électrode et la solution. Le stimulus peut être contrôlé et appliqué à l'aide d'un analyseur d'impédance, qui peut également être utilisé pour surveiller avec précision les changements d'impédance.

La détection conductométrique est une technique qui consiste à surveiller l'évolution des caractéristiques conductrices d'un milieu ou d'une solution d'échantillon. L'interaction qui a lieu entre la biomolécule et l'analyte provoque un changement dans la concentration des espèces ioniques, qui à son tour génère un changement dans la conductivité électrique ou le flux de courant de la solution. Un potentiel de courant alternatif (CA) est fourni à travers deux électrodes métalliques séparées par une distance particulière. Cela provoque la circulation d'un courant entre les électrodes, qui à son tour fait circuler le courant. Si vous avez un ohmmètre, vous pouvez mesurer le changement de conductance qui se produit lors d'un événement de bioreconnaissance. C'est parce que la composition ionique a changé.

Les photons sont utilisés par les biotransducteurs optiques, qui sont utilisés dans les biocapteurs optiques à des fins de transduction du signal. Cela permet de recueillir des informations sur l'analyte. La sensibilité et la spécificité de ceux-ci sont extrêmement élevées, et ils sont également très petits et rentables.

Au niveau de l'électrode de travail, le système enzymatique est responsable de la conversion de l'analyte en produits oxydés ou réduits. La méthode de détection d'un biotransducteur optique dépend de ce système enzymatique.

Les systèmes de biocapteurs optiques utilisent souvent le principe de détection de champ évanescent comme principe de transduction. C'est l'application la plus répandue de ce principe. Lorsqu'il s'agit de détecter des procédures, ce concept est l'un des choix les plus sensibles. L'identification des fluorophores se fait uniquement au voisinage immédiat de la fibre optique grâce à cette caractéristique.

Par rapport aux méthodes optiques, biochimiques et biophysiques, la biodétection électronique présente un certain nombre d'avantages significatifs. Ces avantages comprennent une sensibilité élevée et de nouveaux mécanismes de détection, une résolution spatiale élevée pour la détection localisée, une intégration facile avec le traitement standard des semi-conducteurs à l'échelle d'une plaquette et une détection en temps réel sans étiquette de manière non destructive [6].

La capacité des dispositifs basés sur des transistors à effet de champ (FET) à traduire directement les interactions qui se produisent entre les molécules biologiques cibles et la surface du FET en signaux électriques lisibles a suscité beaucoup d'attention. Le courant qui traverse un transistor à effet de champ (FET) est connecté à la fois à la source et au drain par un canal. L'électrode-grille, qui est connectée de manière capacitive à travers une fine couche diélectrique, est responsable de l'activation et de la désactivation de la conductance du canal situé entre la source et le drain [6].

Grâce à l'utilisation de biocapteurs basés sur le FET, le canal est mis en contact étroit avec l'environnement environnant, ce qui se traduit par un meilleur contrôle de la charge de surface. Il en résulte une augmentation de la sensibilité de la surface. À la suite d'événements biologiques se produisant à la surface du canal, les biocapteurs à base de FET ont le potentiel de provoquer une variation du potentiel de surface du canal semi-conducteur, ce qui peut par la suite faire varier la conductance du canal. En plus de la facilité d'intégration sur puce des réseaux de dispositifs et de la fabrication rentable des dispositifs, l'ultrasensibilité de surface des biocapteurs à base de FET en fait une alternative attrayante aux technologies de biocapteurs déjà utilisées [6].

Selon le principe fondamental d'une réponse à un changement de masse, des biocapteurs gravimétriques sont utilisés.  La grande majorité des biocapteurs gravimétriques utilisent des cristaux de quartz piézoélectriques relativement minces, soit sous forme de cristaux de résonance (QCM), soit sous forme d'électrodes d'ondes acoustiques en vrac/surface (SAW). Il y a une grande majorité d'entre eux dans lesquels la réponse de masse est inversement proportionnelle à l'épaisseur du cristal. De plus, de minces films polymères sont utilisés, ce qui permet d'incorporer des biomolécules sur la surface avec une masse de surface prédéterminée.  Un dispositif oscillatoire peut être produit en projetant des ondes acoustiques sur un film mince. Ce dispositif suit ensuite une équation qui est sensiblement identique à l'équation de Sauerbrey utilisée dans l'approche QCM.  Les protéines et les anticorps sont des exemples de biomolécules qui ont la capacité de se lier, et la variation de masse de ces biomolécules fournit un signal qui peut être mesuré et qui est proportionnel à la présence de l'analyte cible dans