PRÉSENTATION

GÉNIAL SPÉCIAL NANO

À la convergence de la physique, de la chimie, de la biologie et du génie, les promesses des nanotechnologies sont multiples : des outils de diagnostic polyvalents et rapides, de nouveaux traitements ciblés pour certaines maladies, des matériaux ultralégers et super résistants, des revêtements aux multiples avantages, des puces électroniques extrêmement performantes.

En fait, les nanotechnologies sont déjà une réalité dans plusieurs domaines et les retombées se font déjà sentir dans la majorité des secteurs industriels importants pour le Québec : matériaux avancés, aéronautique, santé, technologies de l’information, environnement.

On assiste actuellement ici, comme ailleurs dans le monde, à une synergie active et étroite entre les scientifiques, physiciens, chimistes et biologistes, afin d’explorer et de développer les grands secteurs des nanotechnologies, soit la nanoélectronique, les nanomatériaux et les nanobiotechnologies.

Comme vous pourrez le constater dans ce numéro spécial du GÉNIAL, les chercheurs financés par le FQRNT apportent une contribution remarquable à l’avancement des nanotechnologies dans différents domaines. Ils sont nombreux à observer et à manipuler les structures atomiques et moléculaires à l’échelle du nanomètre. La recherche dans les différents secteurs des nanotechnologies permet à notre société d’atteindre des objectifs importants en matière de santé, de protection de l’environnement, d’énergie ou de développement durable.

CENTRE D'OPTIQUE, PHOTONIQUE ET LASER (COPL)

Les points quantiques, à l'aube d'un grand bond en avant

Une petitesse qui défie l’imagination, des propriétés étonnantes et une polyvalence qui fait rêver les chercheurs : les points quantiques. Faisant l’objet de recherches soutenues depuis déjà quelques années, ces assemblages d’atomes ne promettent rien de moins que de révolutionner différents domaines, dont la médecine, l’environnement, les télécommunications, l’informatique ou la technologie laser. Claudine Allen, professeure-chercheure à l’Université Laval et membre du COPL, a entrepris avec son équipe de mieux comprendre le phénomène du « point quantique ». Elle s’intéresse, par exemple, aux propriétés optiques des points quantiques, à leur structure électronique et aux réactions chimiques en cause dans leur production.

Un point quantique, aussi appelé atome artificiel, est un nanocristal de matériau semi-conducteur dont les dimensions sont inférieures à 10 nanomètres, soit environ dix milliardièmes de mètre. Les points quantiques qui font l’objet des travaux de Mme Allen peuvent se comparer à des grains de poussière, invisibles à l’oeil nu, en suspension dans un liquide lui donnant ainsi une couleur. Ces structures nanométriques permettent le confinement du mouvement des électrons dans les trois dimensions de l’espace. Ce confinement confère au point quantique des propriétés se situant entre celles d’un semi-conducteur et d’une molécule, propriétés tout à fait différentes de celles que l’on peut observer dans notre monde de tous les jours.

« À l’échelle moléculaire, la couleur de la lumière émise par un point quantique dépend de sa taille. Comme on peut donner aux points quantiques la taille que l’on veut, il s’agit de les calibrer de façon à ce qu’ils émettent une couleur précise, selon une longueur d’onde pouvant varier des hautes fréquences (bleu) aux basses fréquences (rouge et au-delà). Nous travaillons ainsi à rendre les points quantiques plus stables et plus polyvalents », explique Claudine Allen.

« En imagerie, ajoute la chercheure, ces points quantiques fonctionnent à la manière de balises ou de bouées. Ces petits points lumineux clignotants peuvent s’attacher à une structure que l’on ne pourrait repérer autrement, comme des protéines ou des biomolécules. Nous travaillons, entre autres, en collaboration avec des chercheurs en neurologie et neurophotonique afin d’appliquer ces biomarqueurs nanométriques dans le domaine de l’imagerie biomédicale. »

Cette photo montre des points quantiques en suspension dans un liquide. Chaque contenant, transparent avant qu'on y ajoute des points quantiques, en compte plusieurs billions.

L’une des applications les plus prometteuses consiste sans doute à la mise au point de biocapteurs ou de biodétecteurs. L’idée de détection développée par l’équipe de Mme Allen est basée sur l’émission optique de microbilles contenant des nanocristaux. Le spectre de l’émission optique est modifié lorsqu’un micro-organisme, comme une bactérie, s’est immobilisé sur la surface d’une microbille. « Cette technologie de biocapteurs est sur le point de prendre son envol, mentionne Mme Allen. Elle permettra de déterminer en quelques minutes la présence de bactéries dans l’air, dans l’eau et peut-être même un jour directement dans les prélèvements sanguins. »

Les communications optiques constituent un autre secteur névralgique qui pourrait bénéficier largement des percées dans le domaine des matériaux photoniques à base de points quantiques. Ces matériaux pourraient contribuer de façon importante non seulement à la transmission de données, mais aussi à leur traitement.

« Dans le même esprit, nos travaux pourraient donner naissance à de nouveaux types de diodes électroluminescentes (DEL) et de piles solaires, fait valoir Mme Allen. Faites de points quantiques intégrés à des semiconducteurs flexibles, ces piles de nouvelle génération pourraient être produites à moindre coût que les panneaux solaires actuels. »

« Même si la recherche sur les points quantiques a explosé ces dernières années, il reste encore beaucoup à faire pour approfondir notre connaissance des points quantiques et ainsi améliorer leur performance dans différentes applications déjà très variées. Mais dans l’immédiat, les grands défis demeurent la stabilité et la reproductibilité d’un point quantique à l’autre afin d’assurer une constance dans les résultats », conclut Claudine Allen.

Par ailleurs, soulignons que le COPL est un des membres de la plateforme Nano4Laval et dispose d’équipements de pointe uniques au Canada pour caractériser optiquement les nanomatériaux et ainsi soutenir les recherches de jeunes chercheurs comme Mme Allen dans le monde de l’infiniment petit.

PROJET DE RECHERCHE EN ÉQUIPE (INRS)

Une biopile prometteuse qui carbure au glucose

La gamme d’appareils implantables dans le corps humain connaît depuis quelques années une forte croissance. Pensons seulement aux appareils d’administration de médicaments, aux stimulateurs cardiaques, aux contrôleurs de glucose dans le sang ou aux tags biologiques. Peut-on imaginer une pile à combustible implantée dans un vaisseau sanguin et capable de générer l’énergie nécessaire au bon fonctionnement de ces appareils ? Mohamed Mohamedi, chercheur à l’INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications (EMT), a entrepris de s’attaquer au défi majeur relié au développement des appareils implantables, soit de trouver la source d’énergie la plus appropriée pour les alimenter. En fait, on entrevoit déjà le moment où des capteurs, des systèmes de communication et autres technologies microélectroniques pourront être alimentés par le vivant, c’est-à-dire par des matériaux organiques, comme le glucose, obtenus à partir de systèmes biologiques vivants.

Les avancées récentes dans le domaine médical ont conduit à une augmentation du nombre d’appareils implantables qui nécessitent des sources d’énergie miniatures et de faible puissance. On parle ici de biopiles, ou piles à combustible biologiques, capables de tirer leur énergie d’un combustible présent dans le fluide sanguin. « Ces biopiles font actuellement l’objet d’une attention mondiale, propulsées par une demande croissante pour les énergies propres/renouvelables et par le développement de l’électronique médicale implantable », souligne Mohamed Mohamedi.

« Nous travaillons à élaborer un nouveau concept de biopiles qui fonctionne à partir du glucose et de l’oxygène présents dans le fluide sanguin. En puisant dans les ressources propres au corps humain, il est possible de générer suffisamment d’énergie pour faire fonctionner de nombreux appareils implantables », soutient le chercheur. Ces piles pourront ainsi continuer à produire de l’électricité tant que l’hôte biologique sera vivant. Il s’agit essentiellement d’utiliser les enzymes comme biocatalyseurs afin de convertir l’énergie chimique en énergie électrique.  

« Notre approche est basée sur le développement de nanoarchitectures tridimensionnelles formées d’une matrice conductrice composite à base de nanotubes de carbone, d’une microfibre de carbone/enzymes et de substrat biologique, explique M. Mohamedi. La microfibre de carbone, conductrice électrique, servira de collecteur de courant. Les nanotubes de carbone serviront au transfert direct d’électrons entre les enzymes et le substrat biologique, ce qui évitera l’emploi de médiateurs électroniques qui sont généralement coûteux, difficile à manipuler et, pour la plupart, non biocompatibles. Comme le corps humain est constitué pour une large part de carbone, les nanostructures de carbone sont essentiellement biocompatibles. Constituée de biocatalyseurs enzymatiques, la biopile que nous sommes à mettre au point sera à la fois plus abordable et très performante par rapport à ce qui existe maintenant. »

Avant l’adoption de telles biopiles, le chercheur convient toutefois qu’il reste plusieurs défis scientifiques et techniques à relever. « Le prototype devra satisfaire à plusieurs critères, principalement une énergie stable et de longue durée, un fonctionnement à température ambiante dans un milieu à pH neutre, aucune production de sous-produits toxiques, précise-t-il. Ce sont là des caractéristiques recherchées pour l’électronique portable et les appareils médicaux implantables. » Les travaux menés par l’équipe de l’INRS-EMT contribuent en quelque sorte à faire reculer les frontières de l’électrochimie en développant une nouvelle science, la nanotechnologie électrochimique. Rien de moins!

Le principal défi consiste à développer des méthodes multiples d’immobilisation des enzymes sur les nanostructures de carbone. « Dans ce contexte, nous étudions différents aspects qui se traduiront par de nouvelles connaissances sur les enzymes, leur activité, leur dispersion et leur stabilité, sur la résistance de transfert de matière et sur les vitesses de transfert des électrons, fait valoir M. Mohamedi. Un autre défi tient dans l’aspect complexe de la miniaturisation elle-même. L’intégration de la biopile dans plusieurs appareils médicaux implantables nécessitera des efforts d’innovation tout particuliers en matière de design et de fabrication, surtout qu’il est question ici de micro et de nanofabrication. »

Selon M. Mohamedi, la mise au point de biopiles est de nature à contribuer à l’amélioration de la qualité des soins de santé, notamment au chapitre de la prévention et des soins postopératoires, et à réduire la croissance des dépenses encourues par une population vieillissante et la prévalence des maladies chroniques.

INSTITUT DES NUTRACEUTIQUES ET DES ALIMENTS FONCTIONNELS (INAF)

La bioencapsulation, voie d'avenir pour optimiser l'effet santé des aliments 

Protégé par une nanoparticule, un antioxydant, ou toute autre molécule bioactive, pourrait circuler dans le corps humain en conservant son intégrité et ses vertus santé. C’est le principe de la bioencapsulation, qui suscite beaucoup d’intérêt dans le développement de nouveaux aliments dits fonctionnels. Cette approche vise à mettre au point des nano ou microvéhicules afin de protéger les biomolécules bénéfiques pour la santé, lors de leur transport dans l’organisme. Une équipe de chercheurs dirigée par Muriel Subirade, professeure à l’Université Laval et chercheure à l’INAF, œuvre précisément à la conception de tels véhicules en utilisant des biopolymères présents dans notre alimentation.

Plusieurs molécules d’origine alimentaire possèdent des propriétés antioxydantes pouvant jouer un rôle significatif dans la prévention de certaines maladies comme le cancer ou les maladies associées au vieillissement. « Cependant, ces molécules sont généralement très instables et peuvent être facilement dégradées dans l’organisme à cause du pH trop acide de l’estomac, de la présence d’enzymes ou d’autres nutriments, explique Muriel Subirade, qui est aussi détentrice de la Chaire de recherche du Canada en physico-chimie des protéines, biosystèmes et aliments fonctionnels.  Il est donc important de protéger ces substances actives afin d’optimiser leur biodisponibilité. »

C’est d’ailleurs dans cette optique  que l’équipe de l’INAF travaille à mettre au point des véhicules nano et microparticulaires à base de polymères naturels. « Ces biopolymères sont en fait des protéines qui sont largement présentes dans notre alimentation en raison de leurs propriétés nutritionnelles et fonctionnelles, précise la chercheure. Ces protéines possèdent notamment des propriétés émulsifiantes et gélifiantes qui peuvent être exploitées pour façonner différents nano ou microvéhicules susceptibles d’empêcher la dégradation des molécules actives. »

Des nanosphères de biopolymères.

La bioencapsulation consiste précisément à enrober un ingrédient actif d’origine biologique dans des particules de taille contrôlée. Celles-ci ont principalement pour but de protéger l’ingrédient actif et de contrôler sa libération dans le corps humain. « La taille des particules joue un rôle majeur dans la libération d’une substance active et dans son absorption. Ainsi, les nanoparticules peuvent être absorbées par les muqueuses et libérer l’ingrédient actif dans les fluides biologiques, notamment le sang, en conservant un maximum de propriétés bénéfiques pour la santé, fait valoir Mme Subirade. Le développement de nano et de microparticules fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine médical pour la libération ciblée de molécules actives. Mais, pour des applications alimentaires, il faut veiller à travailler sans agent chimique ou organique, car on ne doit jamais perdre de vue que nos travaux s’adressent à des gens en santé et nécessitent donc un contrôle serré, une grande prudence. »

Un autre intérêt de ces travaux pour le secteur alimentaire est le développement de nouveaux aliments fonctionnels ayant un effet sur la santé. « Ainsi, de par leur très petite taille, les particules chargées en molécules actives pourront être incorporées dans les aliments sans en changer les propriétés organoleptiques et ainsi être acceptables pour le consommateur », note la chercheure.

Même si les travaux vont bon train, les chercheurs ont encore de nombreux défis à relever, que l’on pense à l’adaptation des nanoparticules pour différents types d’ingrédients actifs, à la modulation de la matrice d’encapsulation ou encore à la réponse sur mesure à l’ingestion de chaque molécule active. 

« Unique et originale, l’approche que nous avons mise de l’avant permettra d’obtenir des connaissances globales sur les différentes étapes entre l’ingestion d’une substance active et son intégration dans la circulation sanguine, en relation directe avec son effet santé. Nous pourrons ainsi établir une meilleure corrélation entre les résultats obtenus in vitro et ceux obtenus in vivo. Ces informations sont essentielles pour répondre aux nouvelles allégations santé liées aux aliments exigées par Santé Canada » conclut Mme Subirade.

CENTRE DE BIORECONNAISSANCE ET DE BIOCAPTEURS (CBB)

Une innovation aux multiples possibilités : la plateforme microfluidique digitale

Les avancées en microfluidique sont au cœur des plus récentes innovations en matière de diagnostic biomédical, de gestion de l’eau, de surveillance environnementale ou d’énergie propre. La plateforme microfluidique digitale mise au point par une équipe de chercheurs dirigée par Maryam Tabrizian, professeure à l’Université McGill et directrice du CBB, a maintenant pris la forme d’un prototype qui offre des perspectives inédites, un véritable laboratoire sur puce. Protégé par un brevet, ce système de détection compact et utilisable éventuellement au chevet du patient permet la détection rapide et en temps réel d’une dizaine de biomarqueurs. Un tel système contribue à combler un grand besoin, entre autres dans le domaine de la santé, pour des technologies de détection rapides et sensibles, capables d’évaluer un grand nombre de biomarqueurs sur une plateforme unique. 

La microfluidique, qui est à la base de la miniaturisation des systèmes de diagnostic médical, permet la manipulation de fluides à l’échelle nanométrique. Les dispositifs microfluidiques créés par nanofabrication permettent de constituer un réseau de détection des protéines, soit une dizaine à la fois par examen. Cette plateforme microfluidique digitale, qui peut effectuer le traitement d’analyses en parallèle, offre de nombreux avantages en termes de rapidité, de reproductibilité, de précision, d’économie et de réduction des risques d’erreurs.

« L’automatisation de toutes les manipulations en fait un dispositif fonctionnel et intégré d’un grand intérêt pour effectuer un diagnostic médical ciblé, souligne Maryam Tabrizian. Au surplus, ce système de détection présente des atouts significatifs en matière de prévention. En poussant encore plus loin les possibilités d’un tel système, particulièrement au chapitre de la précision pour la détection de marqueurs très peu concentrés dans le sang, il est possible d’en faire un véritable outil de prévention. »

Le schéma de la microfluidique digitale intégée au  système de détection par le SPR (a) vue 3D; (b) vue latérale.

Pour développer cette approche diagnostique d’avant-garde, l’équipe du CBB a fait appel à des technologies de pointe telles que la microfluidique, la microélectronique, les nanotechnologies, la protéomique et la biophotonique. « Plus précisément, la plateforme microfluidique innovatrice que nous avons mise au point peut intégrer à un système combiné de détection par fluorescence et par résonnance de plasmon de surface (RPS), ce qui permet de détecter même les biomarqueurs présents en très faible quantité dans un échantillon biologique. Constitués de petites protéines, les biomarqueurs s’accrochent à une surface dite biofonctionnalisée. Cette surface, qui agit un peu à la manière d’un velcro miniature hautement spécifique, permet aux biomarqueurs dignes d’intérêt de s’y accrocher de façon sélective, ce qui facilite ensuite leur détection », explique Mme Tabrizian.

L’une des principales caractéristiques de cette plateforme, c’est sa polyvalence. « De plus en plus présente dans de nombreuses applications, la microfluidique est une technologie universelle, fait valoir la chercheure. Il s’agit en fait de personnaliser la surface pour les marqueurs d’intérêt et de mettre au point des protocoles de détection pour chaque application. Nous avons d’ailleurs travaillé en ce sens en adaptant notre plateforme pour son application dans le domaine de l’environnement, notamment pour la gestion de la qualité de l’eau. »

Tout indique que l’approche très compétitive mise au point par le CBB suscite un intérêt certain et trouvera sans doute preneur à brève échéance. En effet, une entreprise québécoise spécialisée en environnement s’intéresse à la technologie du CBB et des échanges ont été entrepris en vue d’un éventuel transfert de technologie. Des pourparlers sont également en cours avec une entreprise torontoise qui œuvre dans le domaine biomédical.

Domaine en pleine effervescence, la microfluidique digitale comporte d’importants enjeux, entre autres financiers, pour les prochaines années. « Si nous voulons continuer à nous positionner parmi les chefs de file, il faut continuer à faire progresser la recherche sur les outils de détection, dits biocapteurs, et ce, tout en misant sur la réalisation de dispositifs microfluidiques plus performants et plus rentables, tant pour le secteur biomédical que pour les applications industrielles stratégiques », conclut Maryam Tabrizian.

REGROUPEMENT QUÉBÉCOIS SUR LES MATÉRIAUX DE POINTE (RQMP)

Une nouvelle génération d'accéléromètre pour les microsatellites

Les satellites ont besoin d’un système de navigation alliant précision, robustesse et fiabilité. Ce qui vaut aussi pour les microsatellites, une nouvelle gamme de satellites de moins de 100 kilos, où tous les systèmes doivent être miniaturisés à l’extrême sans compromettre leur bon fonctionnement. Dans ce contexte, la mise au point d’accéléromètres miniaturisés, une composante centrale du système de navigation, devient incontournable. C’est le défi qu’est en voie de relever une équipe de l’École Polytechnique de Montréal, dirigée par Yves-Alain Peter, en partenariat avec la firme MPB Communications qui a été mandatée par l’Agence spatiale canadienne afin de développer le système de navigation du futur pour les microsatellites.

« Le nouveau type d’accéléromètre que nous concevons est petit, léger et très sensible. Cet accéléromètre dit optique, car la mesure est réalisée par laser, pourra aussi résister aux rayonnements ionisants de l’espace. C'est là un atout particulièrement important quant on sait que les rayonnements qui émanent du soleil sont souvent la source de problèmes majeurs pour les systèmes électroniques des satellites qui fonctionnent avec les accéléromètres actuels dits capacitifs, souligne Yves-Alain Peter. La nouvelle technologie développée pour l'accéléromètre fera en sorte que la capacité de positionnement du microsatellite ne sera pas affectée par les rayonnements. »

Pour réaliser ce microdispositif, l’équipe de l’École Polytechnique a fait appel aux techniques de micro et nano‑usinage du silicium, les mêmes qui sont utilisées pour les circuits intégrés et les microsystèmes électromécaniques (MEMS). « Cet accéléromètre comprend donc un système intégré sur puce de silicium, doté de fonctionnalités multiples, à la fois électriques, mécaniques et optiques, précise le chercheur. De plus, sa qualité de surface doit être quasiment parfaite, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres, pour éviter les pertes de transmission lumineuse et une diminution de la précision. Ce qui représente en soi un véritable défi technologique. »

L’équipe de chercheurs peut déjà compter sur un prototype de l’accéléromètre, mais à l’échelle laboratoire. « Cependant, il faut se situer dans un horizon de quatre à cinq ans avant de disposer d’un prototype qui puisse être testé en vol. Mais déjà, tout indique que notre prototype sera utile pour de futures missions spatiales », conclut Yves-Alain Peter.

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