Écriture directe de micro et nanostructures via stéréolithographie à deux photons pour la conception d'éléments de détection à base de polymères à empreinte moléculaire

Direct writing of micro and nanostructures via two-photon stereolithography for the design of molecularly imprinted polymer-based sensing elements

• Auteur / Autrice : Ernesto III Paruli
• Direction : Karsten Haupt, Carlo Gonzato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, Ingénierie Moléculaire et Interactions : Unité de recherche en Génie Enzymatique et Cellulaire - GEC (UMR-7025)
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie Enzymatique et Cellulaire / GEC

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Nanostructures

Microstructure (physique)

Cristaux photoniques

Polymérisation

Photons

Photopolymérisation

Stéréolithographie

Impression moléculaire

Polymères à empreintes moléculaires

Mots clés libres

Stéréolithographie à deux photons

Empreinte moléculaire

Polymérisation photoiniferter

Photostructuration

Two-photon stereolithography

Molecularly imprinted polymers

Molecular imprinting

Photopolymerization

Photoiniferter polymerization

Photostructuration

Photonic crystals

Microstructures

Fluorescence

Nanostructures

Résumé

Les polymères à empreinte moléculaire (MIPs) sont des récepteurs synthétiques d’excellente affinité et sélectivité pour leurs cibles à l’instar des anticorps, leurs permettant de trouver des applications en détection chimique, bioimagerie, catalyse, etc. En tant que polymères, les MIPs peuvent être synthétisés en divers formats pour mieux s’adapter à leurs applications. Dans cette thèse, nous explorons l’emploi de la stéréolithographie à deux photons (TPS) pour la structuration arbitraire et précise des MIPs à travers la manipulation de lumière dans l’espace 3D d’un matériau polymérisable, contrairement aux méthodes traditionnelles qui ne produisent typiquement que des particules MIP et à d’autres techniques lithographiques « restreintes ». Tout d’abord, nous présentons une riche discussion sur la photopolymérisation et les techniques de photostructuration des MIPs, y compris la TPS. Ceci est suivi par l’application de la chimie thiol-yne dans la synthèse en plein air des MIPs sélectifs pour son utilisation potentielle dans la configuration en plein air de la TPS. Des opales aux « woodpiles » photoniques, nous exploitons la TPS sur des formulations différentes de résines photosensibles afin d’optimiser des conceptions MIP. Enfin, cela mène à la TPS des tableaux d’hexagone (nid d'abeille) de détails submicroniques à base des résines photosensibles commerciales pour leur fonctionnalisation ultérieure avec du MIP via un « photoiniferter ». Les nids d'abeilles MIP présentent de l’affinité et de la sélectivité pour leur cible, ce qui rend l'approche réussie en tant que stratégie générale pour la fabrication des conceptions submicronique des éléments de détection MIP.

Molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic receptors of excellent affinity and selectivity for their targets on par with antibodies, finding applications in chemical sensing, bioimaging, catalysis, etc. As polymers, MIPs can be synthesized into various formats to better suit their applications. In this PhD thesis, we explore the use of two-photon stereolithography (TPS) for the arbitrary and precise structuring of MIPs via light manipulation within the 3D space of a polymerizable material, which is in contrast to traditional methods that typically only produce MIP particles and to other “restrained” lithographic techniques. First, we present a rich discussion on photopolymerization and the existing techniques for photostructuring MIPs, including TPS. This is followed by the application of the thiol-yne chemistry in the open-air synthesis of selective MIPs for its potential use in the open-air setup of TPS. From opals to photonic woodpiles, we exploit TPS on different photoresist formulations to optimize MIP designs. Finally, this leads to the TPS of hexagon arrays (honeycombs) with sub-micron features on commercial photoresists for their subsequent MIP functionalization via a photoiniferter. The MIP honeycombs exhibit affinity and selectivity toward their target, rendering the approach successful as a general strategy for the fabrication of sub-micron MIP sensing element designs.