Les nanofils biologique, des structures modifiables et fonctionnalisables à grand

Les nanofils biologiques sont étudiés par les biologistes et les biochimistes depuis de nombreuses années car ils sont à la base de très nombreuses réactions biologiques ou chimiques dans la nature et plus particulièrement dans le corps humain. Toutes ces études menées sur les objets biologiques via d’autres domaines que l’électronique permettent de ne pas partir de zéro du point de vue des connaissances structurelles des matériaux, de leurs propriétés biologiques et de leur fabrication, ce qui est un atout non négligeable. En plus de cette base de connaissance importante les nanofils biologiques ont beaucoup d’autres intérêts. Le premier étant le facteur de forme souvent supérieur à 100. L’ADN a déjà été donné comme exemple mais on peut aussi citer les nanotubes à base de peptide [PET12]. Ce facteur de forme est une propriété intéressante pour des applications capteur ou d’interconnections. Les nanofils biologiques on aussi l’avantage d’avoir une structure comparable aux nanofils de silicium. La structure filaire des nanofils biologiques a aussi l’avantage de pouvoir être « facilement » comparée avec les nanofils. En effet bien que le niveau de maturité soit complétement différent les nombreuses études sur le potentiel de détection et de captation des nanofils de silicium permettent de faire une première comparaison des performances des objets biologiques. Certains objets biologiques possèdent une structure modifiable à façon par génie génétique. Nous savons fabriquer ce que l’on appelle les protéines chimères ou protéines de fusion en greffant sur une protéine de base d’autres protéines et/ou d’autres molécules chimiques et ainsi obtenir, à façon, des éléments aux caractéristiques intrinsèques complexes. C’est d’ailleurs ce qu’on utilise très souvent dans les techniques de détection par marquage en créant, par greffage une protéine avec une sensibilité à un élément biologique et une protéine ayant des propriétés luminescentes [LEU12]. Ces propriétés de greffage et de modifications sont très appréciables notamment quand on pense à un effet capteur car on obtient de manière simple un matériau sensible, potentiellement conducteur pouvant se fixer sur un support de nature choisi. La fabrication de différentes fibres amyloïdes étant réalisée par génie génétique nous détaillerons ce point dans la partie II.1.2.

Pour la plupart des objets biologiques nous parlons de « fabrication à l’eau ». La fabrication de ces nanofils à base de protéines utilise des procédés moins polluants et moins complexes que les procédés de microélectronique à mettre en œuvre pour la fabrication de nanofils de silicium. Il faudra cependant vérifier si cet argument tient toujours si un jour une usine de production d’objets biologiques pour la microélectronique voit le jour. On pourra se rendre compte des différences de fabrication à la lecture des parties II.1.2 ou l’on décrira la synthèse des fibres amyloïdes et de la partie III.2.3 où l’on décrira la fabrication de nanofils de silicium. On sait aussi que les protéines peuvent, selon les conditions du milieu, avoir des conformations différentes. On obtient donc soit des nanofils, soit des fagots soit des films fins avec le même matériel de base (voir I.1.2). Ce qui a l’avantage de permettre la conception de plusieurs structures différentes avec le même matériau de base. On compte comme nanofils biologiques des structures à base d’acides aminés comme les dipeptides à base de phenylalanine [TAN09], ou des peptides plus complexes comme les tripeptides et les tétrapeptides [SUG12, XU10]. Parmi les protéines on compte aussi les nanofils à base de collagène [EPP06]. Il existe aussi toute une gamme de nanofils biologiques à base d’acide nucléique comme par exemple des structures fibrillaires riche en guanine [HUA16]. Il existe aussi des nanofibres à base de chitine [QI12]. Sans oublier une des protéines les plus connues l’ADN. Parmi les nanofils biologiques on compte aussi les objets à base d’acides aminés comme les fibres amyloïdes découvertes par sérendipité au XIXème siècle par R. Virchow et dont l’implication dans les maladies dégénératives a été identifiée par S. Prusiner en 1982, qui a obtenu le prix Nobel pour ses recherches [PRU82]. Le

Tableau II.1 IMAGE MEB DE DIFFERENTS OBJETS BIOLOGIQUES SOUS FORME DE NANOFILS

Brin d’ADN [BRU15]

ADN métallisé avec de l’argent (A) et (B) et de l’or

(C) [KER04]

Fibre de collagène [EPP06]

Film de fibre amyloides Red-Het unitaire à pH=4

[ALT15]

Parmi tous les nanofils biologiques cités précédemment on doit encore faire une distinction importante. On doit séparer les éléments biologiques dont les propriétés intrinsèques peuvent répondre à nos besoins en termes d’interconnexions et de capteurs et ceux qui ne le pourront pas. Pour cela on doit donc sélectionner les objets ayant déjà prouvé un caractère conducteur et/ou une sensibilité à des stimuli extérieurs. En cherchant les différents objets pouvant prétendre à être utilisés dans la microélectronique comme conducteur on se rend compte que la plupart des études ne sont pas des études électriques et que les études électriques lorsqu’elles existent ne sont pas assez poussées pour décrire complétement les propriétés électriques de ce matériau. Il y a donc clairement

un manque de caractérisation électrique pour les nanofils biologiques mais aussi pour l’ensemble des matériaux biologiques ou hybrides pour permettre une intégration dans des dispositifs de microélectronique. Ce manque de structure de mesure adaptée nous a poussé à concevoir un dispositif adapté. Nous traiterons ce point plus loin dans le manuscrit. Cette plateforme devrait permettre à terme d’élever le niveau de compréhension de transport électrique dans les objets biologiques afin de ne pas faire trop vite des conclusions sur l’intérêt des objets biologiques dans les dispositifs de microélectronique.