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THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialit

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Ingénierie-matériaux mécanique énergétique environnement procédés production Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par « Awatef LAAROUSSI » Thèse dirigée par « Naceur BELGACEM » et codirigée par « Nadège REVERDY-BRUAS » préparée au sein du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers dans l'École Doctorale I-MEP2 Fabrication de biocathodes flexibles pour biopiles enzymatiques implantables par procédés d’impression Thèse soutenue publiquement le « 13 avril 2016 », devant le jury composé de : Monsieur Philippe CINQUIN Professeur, Faculté de Médecine-UJF Grenoble, Président Madame Latifa BERGAOUI Professeur, INSAT Tunisie, Rapporteur Madame Roberta BONGIOVANNI Professeur, Polytechnique de Turin, Rapporteur Madame Sophie TINGRY Chargée de recherche, Institut Européen des membranes, Examinateur Monsieur Naceur BELGACEM Professeur, INP Grenoble, Membre Madame Nadège REVERDY-BRUAS Docteur, INP Grenoble, Membre Monsieur Didier CHAUSSY Professeur, INP Grenoble, Membre THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Ingénierie-matériaux mécanique énergétique environnement procédés production Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Awatef LAAROUSSI Thèse dirigée par Naceur BELGACEM et codirigée par Nadège REVERDY-BRUAS préparée au sein du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers dans l'École Doctorale I-MEP2 Fabrication de biocathodes flexibles pour biopiles enzymatiques implantables par procédés d’impression Thèse soutenue publiquement le 13 avril 2016, devant le jury composé de : Monsieur Philippe CINQUIN Professeur, Faculté de Médecine-UJF Grenoble, Président Madame Latifa BERGAOUI Professeur, INSAT Tunisie, Rapporteur Madame Roberta BONGIOVANNI Professeur, Polytechnique de Turin, Rapporteur Madame Sophie TINGRY Chargée de recherche, Institut Européen des membranes, Examinateur Monsieur Naceur BELGACEM Professeur, INP Grenoble, Membre Madame Nadège REVERDY-BRUAS Docteur, INP Grenoble, Membre Monsieur Didier CHAUSSY Professeur, INP Grenoble, Membre Remerciements C’est avec beaucoup d’émotions que je rédige ces lignes qui clôturent le chapitre « thèse » dans ma vie… Cette thèse a été effectuée au sein du laboratoire du génie de procédés papetiers que je tiens à remercier ses deux directeurs consécutifs : Evelyne Mauret et Didier Chaussy pour m’avoir accueilli dans le laboratoire. J’aimerais associer à ces remerciements tout le personnel administratif et technique de cette institution pour leur aide et leur gentillesse. Mes remerciements s’adressent : Aux membres du Jury pour avoir accordé de leur temps à la lecture, à la critique et à l'amélioration de mon travail. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Philippe Cinquin pour l'honneur qu'il m'a fait de présider mon jury, ainsi qu'à Latifa BERGUAOUI (ta présence m’a fait énormément plaisir), Roberta Bongiovanni et Sophie Tingry d'avoir accepté de rapporter et d’examiner ce travail et pour avoir apposé leurs regards d'expertes sur mes travaux. A mon directeur de thèse, Naceur BELGACEM, et à mes co-encadrants de thèse, Nadège REVERDY-BRUAS et Didier CHAUSSY, pour m’avoir permis de réaliser ce travail de façon autonome. Naceur, merci pour m'avoir fait confiance en m'attribuant ce travail de recherche et pour m'avoir laissé suffisamment de liberté lors de ces travaux tout en me distillant de précieux conseils. Didier, ta disponibilité/réactivité sans faille et tes nombreux conseils m'ont permis de toujours avancer efficacement. Nadège, j'aimerais te remercier pour toutes les discussions scientifiques que l'on a pu avoir et pour les réunions dans la bonne humeur. A l’ensemble des partenaires du projet IBFC pour m’avoir apporté leurs expériences, leur aide et leurs sympathies pendant nos échanges. A ceux qui m’ont entouré, accueilli et qui m’ont permis de travailler avec le sourire : Anne- Marie, Stéphane Vernac, Cécile, David, Franc, Névin, Bertine, Raphaél Passas, Chu et Charlotte…. Aux doctorants et post-doctorants : Clairou, Raphaël B., Besma, Guillaume, Fanny, Karim, Wafa, Kenza, Elsa C.…. Et beaucoup d’autres A à mes amis et partenaires de bureau : Elsa, Jennifer : pour votre très grande gentillesse, votre aide à chaque fois que j’avais une question, pour être les meilleures taties que loulou puisse avoir. J’avoue que supporter une jeune maman qui raconte tous les jours les exploits de son loulou mérite beaucoup de reconnaissance…. Hallouma : pour ta grande gentillesse aussi, pour m’avoir accompagné ces 13 dernières années de ma vie, m’avoir fait de délicieuses pâtisseries rien que pour moi, pour notre « caaaaffééééé » de tous les jours sans lequel on était perdues…. LOLO (Lorenzo), FLAFLA (Flavien), Sudha et toutes les personnes qui étaient de passage dans notre bureau : pour tout ce qu’on a pu partager, pour les rigolades et les chansons (surtout flavien) ses rires qui du coup égayaient la journée, Et pour finir !!! A ma famille : Papa, maman je vous remercie pour votre amour et soutien indéfectible malgré la distance. J’espère que j’ai pu vous rendre fière. Merci aussi à mes frères (Ali, Maher et Zamou) et mes sœurs Afef et Houda pour votre amour et votre soutien. Je vous aime !!! Une grande pensée aussi à ma belle-famille et surtout à toutou qui a tout partagé avec moi. J’ai tellement de la chance de t’avoir dans ma vie. Mes derniers remerciements vont à mes deux hommes : Mehdi et Malek !! Merci pour votre amour, votre patience et soutien !!! Vous êtes le grand rayon de soleil qui égaie mes journées !! Je vous aime plus que tout au monde. Sommaire 1 Sommaire LISTE DES TABLEAUX 4 LISTE DES FIGURES 5 LISTE DES ABREVIATIONS 9 INTRODUCTION GENERALE 11 CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART 15 I. Biopiles à combustibles 16 I.1 Introduction et historique 16 I.2 Définition et principe 18 I.3 Différents types de biopiles à combustibles 20 I.3.1 Les biopiles microbiennes 20 I.3.2 Les biopiles à mitochondrie 21 I.3.3 Les biopiles enzymatiques 22 I.3.4 Les biopiles hybrides 25 I.3.5 Les piles bio-inspirées ou biomimétiques 26 I.4 Les applications des biopiles 26 I.4.1 Domaine médical : alimentation de dispositifs implantables 26 I.4.2 Robotique 27 I.4.3 Pour des dispositifs portables 27 I.4.4 Transport de combustibles 28 II. Les biopiles enzymatiques à glucose/O2 28 II.1 Principe et définition 28 II.2 Les systèmes enzymatiques et l’immobilisation des enzymes 29 II.2.1 Immobilisation par adsorption 29 II.2.2 Immobilisation par liaison covalente 30 II.2.3 Immobilisation par réticulation 31 II.2.4 Immobilisation par encapsulation 32 II.3 Transfert électronique : transfert direct et transfert via un médiateur 32 III- Composante d’une biopile à glucose/O2 imprimée 35 III.1 Matière conductrice : Nanotubes de carbone 35 III.1.1 Généralités et structure 35 III.1.2 Synthèse 39 III.1.3 Propriétés des nanotubes de carbone 42 III.1.3.1 Propriétés mécaniques 42 III.1.3.2 Propriétés électriques 42 III.1.4 Mises en suspension des CNTs 43 III.2 Catalyseur : Enzymes 49 III.2.1 La laccase 50 III.2.2 La bilirubine oxydase (BOx) 51 III.3 Oxydant/combustible 51 III.3.1 Oxydant : Oxygène 51 III.3.2 Combustibles : Glucose 52 III.4 Substrat : Gas Diffusion Layers (GDLs) 53 III.4.1 Structure d’une GDL 54 III.4.2 Propriétés des GDLs 55 IV. Biopiles implantables fabriquées par procédés de dépôt 57 IV.1 Jet d’encre 58 IV.2 Sérigraphie 60 IV.3 Dépôts par spray 62 IV.4 Dépôts par flexographie 66 IV.5 Dépôts par héliogravure 69 IV.6 Dépôts par filtration 70 IV.7 Récapitulatif sur les différentes techniques de dépôt 71 V. Conclusion, enjeux et problématique 73 CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES 75 I. Introduction 76 II. Matériaux 76 II.1 Encres 76 II.2 Substrat : Gas Diffusion Layers 78 III. Protocoles expérimentaux 78 III.1 Formulation des suspensions 78 III.2 Dosage de l’activité enzymatique 79 IV. Caractérisation des suspensions 80 IV.1 Analyse par UV-Visible 80 IV.2 Comportement rhéologique 81 IV.3 Microscopie à force atomique 83 V. Procédés de dépôt 84 V.1 Filmographe 84 V.2 Dépôt par filtration 84 V.3 Héliogravure/ flexographie 85 V.4 Spray 86 VI. Caractérisation des substrats bruts et imprimés 88 VI.1 Observation en Microscopie Electronique à Balayage (MEB) 88 VI.2 Rugosité ou Topographie de surface 3D sans contact 88 VI.3 Mouillabilité de surface 89 VI.4 Epaisseur / masse 91 VI.5 Mesures des caractéristiques physiques des GDLs 92 VI.5.1 La rugosité Bendsten 92 VI.5.2 La perméabilité 93 VI.6 Mesure de la densité optique 93 VI.7 Caractérisation électrochimique 94 VI.7.1 Immobilisation non-covalente des laccases 94 VI.7.2 Mesures électrochimiques 94 CHAPITRE III: FORMULATION ET CARACTERISATION DES DISPERSIONS A BASE DE NANOTUBES DE CARBONE 97 I. Introduction 98 II. Dispersion des nanotubes de carbone 99 II.1 Spectre UV–vis des suspensions MWCNTs–SDS et MWCNTs/T80 101 II.2 Effet du surfactant sur le processus de dispersion des MWCNTs 105 II.3 Dispersion des MWCNTs à des concentrations élevées 112 II.4 Stabilité colloïdale de MWCNTs en suspension 114 II.5 Observations microscopiques de la dispersion des CNTs 115 III. Etude du comportement rhéologique des suspensions 117 III.1 Comportement rhéologique des suspensions à base de CNTs 117 III.2 Effet de la durée du traitement aux d'ultrasons sur la viscosité 120 III.3 Effet de la concentration en MWCNTs sur la viscosité 124 IV. Cinétiques enzymatiques 125 V. Conclusion du chapitre 127 CHAPITRE IV : CARACTERISATION DES MATERIAUX 129 I. Introduction 130 II. Caractérisation du substrat brut : Gas Diffusion Layers 130 II.1. Caractérisation des différentes GDLs 131 II.2 Stabilité dimensionnelle des GDLs 132 II.2.1 Variations dimensionnelles des GDLs imprimées 132 II.2.2 Contraintes physiques appliquées par le système d'impression 133 II.3 Interactions liquide/solide 134 II.4 Estimation de l’énergie de surface 136 II.5 Affinité des GDLs avec l’encre 138 II.6 Conclusion 139 III. Dépôt de couches actives uploads/Geographie/ bioile-mlf-mhmgd-kthy 1 .pdf