VERRES ET FIBRES À BASE DE AGI-AGPO3 POUR DES APPLICATIONS EN ÉLECTROPHYSIOLOGIE : INFLUENCE DU AG2WO4 SUR LES PROPRIÉTÉS OPTIQUES, ÉLECTRIQUES ET ...

Verres et fibres à base de AgI-AgPO3 pour des applications en
 électrophysiologie : influence du Ag2WO4 sur les propriétés
 optiques, électriques et structurales

 Mémoire

 Mickaël Blais-Roberge

 Maîtrise en Chimie

 Maître ès Science (M. Sc.)

 Québec, Canada

 ©Mickaël Blais-Roberge, 2017

Verres et fibres à base de AgI-AgPO3 pour des applications en
 électrophysiologie : influence du Ag2WO4 sur les propriétés
 optiques, électriques et structurales

 Mémoire

 Mickaël Blais-Roberge

 Sous la direction de :

 Younès Messaddeq, directeur de recherche

Résumé

 Les verres et fibres appartenant au système AgI-AgPO3-Ag2WO4 ont été étudiés pour
leur transmission optique dans la région visible (450 à 900 nm) et leur conductivité
électrique. Ces verres combinent des propriétés qui sont essentielles pour une application
directe dans les domaines de l’optogénétique et de l'électrophysiologie. Les sondes
actuellement utilisées dans ces domaines sont généralement produites de façon complexe et
possèdent une transparence optique réduite dans le visible ou une faible conductivité
électrique. Le choix d'une composition de verre comme matériau pour une fibre
multifonctionnelle permettrait de simplifier la mise en œuvre et d’optimiser les propriétés de
cette fibre pour une application directe en optogénétique et en électrophysiologie.

L'ajout progressif (Ag2WO4) dans le système vitreux binaire AgI-AgPO3 a été étudié pour
son influence sur les propriétés physicochimiques, optiques et électriques. Cette étude a
démontré que l’absence d’espèces réduites de tungstène dans les verres mène à une
transparence optique dans le domaine du visible similaire pour chacune des compositions.
Une conductivité électrique (AC) de 10-3 à 10-2 S·cm-1 a été mesurée à température ambiante
sur des verres en pastilles. Ces valeurs se situent dans la gamme de conductivité électrique
recherchée pour l’application en électrophysiologie. Il a aussi été observé que l'addition de
tungstate d'argent contribue à modifier la température de transition vitreuse et la densité du
verre, tout en réduisant le risque d’hydrolyse des chaines de phosphate dans ces verres. Une
fibre optique a été fabriquée et caractérisée à partir d’une composition vitreuse optimale et
pourrait être utilisée comme sonde pour l’application visée.

 iii

Abstract

 Glasses and fibers belonging to the AgI-AgPO3-Ag2WO4 system have been studied
for their optical transmission properties in the visible region (450 to 900 nm) and electrical
conductivity (AC). These glasses combine properties that are essential for direct application
in the fields of optogenetics and electrophysiology. The probes currently used in those fields
are generally produced by a complex method or have a reduced optical transparency in the
visible or a low electrical conductivity. The choice of a glass composition, as single material
for a multifunctional fiber, could simplify its fabrication and optimize the characteristics of
this fiber toward the aimed application of electrophysiology.

The progressive addition of silver tungstate (Ag2WO4) in the AgI-AgPO3 binary glasses has
been studied for its influence on the optical, electrical and physical properties. This study
showed an optical transparency in the visible range similar for each of the compositions due
to the absence of reduced tungsten species. An electrical conductivity (AC) of 10-3 to 10-2
S·cm-1 was measured on the bulk glasses at room temperature and is within the electrical
conductivity range required for the applications. It was also observed that the addition of
silver tungstate contributes to change the glass transition temperature and density while
reducing the risk of hydrolysis reaction of the phosphate chains in these glasses. An optical
fiber has been manufactured and characterized from an optimal vitreous composition which
can be used as a probe in the intended application.

 iv

Table des matières

Résumé .................................................................................................................................. iii

Abstract .................................................................................................................................. iv

Table des matières .................................................................................................................. v

Liste des tableaux ................................................................................................................ viii

Liste des figures ..................................................................................................................... ix

Liste des abréviations ........................................................................................................... xii

Remerciements .................................................................................................................... xiv

Avant-Propos ........................................................................................................................ xv

Chapitre 1 – Mise en contexte ................................................................................................ 1

 1. Optogénétique et électrophysiologie ........................................................................... 1

 2. État de l’art .................................................................................................................. 4

 3. Objectifs du projet ....................................................................................................... 8

Chapitre 2 – Rappels théorique ............................................................................................ 11

 1. Définition du verre..................................................................................................... 12

 2. Formation d’un verre ................................................................................................. 14

 a. Modèles structuraux ............................................................................................... 14

 b. Modèles cinétiques ............................................................................................. 17

 3. Les verres de phosphate............................................................................................. 20

 a. Matrice de phosphate ............................................................................................. 20

 b. Conductivité électrique ...................................................................................... 22

Chapitre 3 – Méthodologie ................................................................................................... 26

 1. Modifications de la composition ............................................................................... 26

 v

a. Stabilisation de la matrice phosphate..................................................................... 26

 b. Variation de concentration en AgI ..................................................................... 27

 2. Synthèses ................................................................................................................... 29

 a. Iodure d’argent ....................................................................................................... 29

 b. Phosphate d’argent ............................................................................................. 30

 c. Tungstate d’argent ................................................................................................. 31

 d. Verres pastilles ................................................................................................... 32

 e. Fibres optiques ....................................................................................................... 33

Chapitre 4 – Techniques de caractérisation .......................................................................... 36

 1. Calorimétrie différentielle à balayage ....................................................................... 36

 2. Impédance électrique ................................................................................................. 37

 3. Spectroscopie d’absorption et pertes optiques........................................................... 40

 4. Spectrométrie photo-électronique X.......................................................................... 42

Chapitre 5 – Effect of Ag2WO4 on the electrical and optical properties of AgI-AgPO3 glasses
and fibers for electrophysiology application ........................................................................ 44

 1. Résumé ...................................................................................................................... 45

 2. Abstract ...................................................................................................................... 45

 3. Introduction ............................................................................................................... 46

 4. Experimental.............................................................................................................. 48

 a. Glasses and fibers fabrication ................................................................................ 48

 b. Materials characterization .................................................................................. 50

 5. Results and Discussion .............................................................................................. 51

 a. Glass-forming ability and thermal properties ........................................................ 51

 b. Optical properties and glass coloring ................................................................. 56

 c. Chemical durability................................................................................................ 60

 vi

d. Electrical conductivity........................................................................................ 61

 e. Multifunctional fibers ............................................................................................ 65

 6. Conclusion ................................................................................................................. 68

Chapitre 6 – Conclusion ....................................................................................................... 70

Bibliographie ........................................................................................................................ 73

 vii

Liste des tableaux

Tableau 1 – Ratios des rayons entre cation et anion dans un verre d’oxyde[36]. .................. 15
Table 2 – Theoretical and experimental atomic content of the AIPWx glasses studied in this
work. ..................................................................................................................................... 54
Table 3 – Characteristic temperatures and glass quality vs casting conditions of the AIPWx
glasses. .................................................................................................................................. 55
Table 4 – Experimental atomic content of the 45AgI-(55-x)AgPO3-xWO3 (AAWx) glasses
previously studied (calculated from[26])................................................................................ 58
Table 5 – Electrical conductivity range for some ionic conducting glasses at room
temperature. .......................................................................................................................... 64

 viii

Liste des figures

Figure 1 – Activité relative de protéines photosensibles selon la longueur d’onde
d’illumination[12] (A) et schématisation du transport passif de cations sodium et calcium par
une protéine ChR2 dans le milieu intracellulaire[13] (B)......................................................... 2
Figure 2 – Schématisation de mesures par électroencéphalographie. .................................... 3
Figure 3 – Schéma d’une sonde avec cœur optique en silice et capillaire[22]. ........................ 5
Figure 4 – Schématisation des étapes de fabrication d’une préforme (A), photo d’une
préforme lors de l’étirement (B), image de deux configurations de fibre (C,E) et image
montrant la transmission de chacune des fibres (D,F)[21]. ...................................................... 6
Figure 5 – Photographie des verres AAWx (a) et d’une fibre de composition AAW15 (b)[26].
................................................................................................................................................ 8
Figure 6 – Représentation 2D de la structure ordonnée propre au cristal et désordonnée propre
au verre[36]. ............................................................................................................................ 12
Figure 7 – Diagramme présentant les différents stades de la formation d’un verre et d’un
cristal en fonction de la température[36]. ............................................................................... 13
Figure 8 – Représentation de la croissance d’un cristal avec les considérations
thermodynamiques et cinétiques[55]. ..................................................................................... 19
Figure 9 – Taux de nucléation (I) et taux de croissance (C) en fonction de la température. [55].
.............................................................................................................................................. 19
Figure 10 – Unités structurales de phosphate pentavalent présentes dans un verre de
phosphate[32]. ........................................................................................................................ 20
Figure 11 – Illustration d’une matrice de phosphate stabilisée par un métal (Me)[32]. ......... 21
Figure 12 – Diagramme de potentiel d’énergie en fonction de la distance atomique pour un
cation oscillant dans un verre d’oxyde[66]. ............................................................................ 23
Figure 13 – Spectre de transmission visible de verres (90-x)AgI-xAgPO3-10Ag2WO4 en
fonction de la concentration en AgI (normalisé pour 3 mm d’épaisseur). ........................... 28

 ix

Figure 14 - Procédé de recyclage de l’argent présent dans les déchets de verres AgI-AgPO3-
WO3[95]. ................................................................................................................................. 29
Figure 15 – Thermogramme DSC typique d'un verre AgPO3 synthétisé. ............................ 31
Figure 16 – Thermogrammes DSC indiquant la température de fusion du Ag2WO4 provenant
du fournisseur Alfa Aesar(A), Sigma Aldrich(B) et synthétisé au laboratoire(C). .............. 32
Figure 17 – Verres de composition AIPWx synthétisés en fonction du pourcentage
d’Ag2WO4............................................................................................................................. 33
Figure 18 – Photographie d’une préforme de composition AIPW10. .................................. 34
Figure 19 - Évolution de la viscosité mesurée par la méthode parallel plate selon la
température du verre AIPW10. Extrapolation des valeurs expérimentales (ligne bleue
pointillée), gamme de température de formation d’une fibre[36] (rectangle hachuré) et
température de formation de la fibre AIPW10 (ligne rouge pointillée). .............................. 35
Figure 20 – Thermogramme DSC obtenu pour un verre de composition WO3-Li2O-Na2O-
K2O. ...................................................................................................................................... 37
Figure 21 – Graphique de type Nyquist (A) et de type Bode (B) représentant l’impédance
complexe d’un système[103]................................................................................................... 38
Figure 22 – Schématisation d’un montage utilisant la méthode par cut-back. ..................... 41
Figure 23 – Spectre de pertes optiques d’une fibre (waveguide) avec cœur d’AgPO3 en
comparaison d’un échantillon en pastille (bulk) dans le visible (a) et dans l’infrarouge (b).
L’insertion représente les pertes de l’échantillon d’AgPO3 en pastille dans un domaine plus
étendu du spectre[105]. ........................................................................................................... 42
Figure 24 – Powder XRD patterns (A) and DSC traces of the AIPWx glasses (Tg indicated
by arrows) (B)....................................................................................................................... 53
Figure 26 – Photograph of the AIPWx bulk glasses (A) and, visible transmission spectra of
the AIPWx glasses visible as a function of Ag2WO4 content, the dashed line at 470 nm
corresponds to the optimal wavelength for operation in electrophysioly and optogenetic
applications (B). ................................................................................................................... 56
Figure 27 – Visible cut-off wavelength (determined at 0 %T for 3 mm thick samples) from
AgI-AgPO3-WO3 [26] and AIPWx glasses (present study) as a function of their tungsten
atomic content. ..................................................................................................................... 57

 x

Figure 28 – XPS measurements and fitting (W4f) for yellow (A) and red AIPW20 glasses
(B). ........................................................................................................................................ 60
Figure 29 – Measured weight losses of the AIPWx bulk glasses after soak test in deionized
water at 65°C for 48h. .......................................................................................................... 61
Figure 30 – Calculated electrical conductivity of the AIPWx bulk glasses as a function of
temperature (1MHz AC frequency, 1V applied). The insert shows a typical Nyquist plot
measured on the AIPW20 glass sample at 25°C (106 to 1Hz AC frequency, 1V applied).. 63
Figure 31 – SEM image of the AIPW10 glass fiber section. Glass core (A) and two layers of
polymer coating (B). ............................................................................................................. 66
Figure 32 – Measured propagation losses of the AIPW10 glass fiber (by cut-back method on
60-20 cm long fibers). .......................................................................................................... 67

 xi

Liste des abréviations

 ChR2 Channelrhodopsine-2

 EEG Électroencéphalogramme

 PC Polycarbonate

 COC Copolymère d’oléfine cyclique

 CPE Polyéthylène conducteur

 Tg Transition vitreuse
 DRX Diffraction des rayons X
 Tx Température de cristallisation
 Tf Température de fusion/cristallisation
 DSC Calorimétrie différentielle à balayage

 NCT Théorie nucléation-croissance

 I Nucléation

 I(T) Taux de nucléation

 C Croissance

 C(T) Taux de croissance

 G Énergie libre

 ΔGv Changement d’énergie libre

 γ Tension de surface

 ΔGD Changement d’énergie cinétique

 νlc Passage d’un état liquide à un cristal

 νcl Passage d’un cristal à l’état liquide

 xii

λ Distance interatomique

ν Fréquence de vibration

BOs Oxygènes pontants

NBOs Oxygènes non pontants

Zre Impédance réelle

Zim Impédance imaginaire

Z Magnitude d’impédance

|Z| Résultante du vecteur

φ Angle de phase

I Courant électrique

V Potentiel électrique

UV Ultraviolet

Vis Visible

IR Infra-Rouge

σ Conductivité

OSA Analyseur de spectre optique

XPS Spectroscopie photoélectrique à rayon X

AIPWx Verres de composition 40AgI-(60-x)AgPO3-xAg2WO4

RMN Résonance magnétique nucléaire

 xiii

Remerciements

 Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de recherche, le professeur Younès
Messaddeq. Il m’a permis de m’initier à la recherche académique en tant que stagiaire dans
un projet et une équipe multidisciplinaire et motivée. L’octroi d’un projet de maîtrise tout
aussi stimulant m’a permis d’approfondir mes connaissances et de travailler avec des
chercheurs expérimentés, et ce, dans un environnement dynamique.

Je souhaite aussi remercier mes collègues qui ont participés de près ou de loin à mes
recherches et mon cheminement académique. Un merci particulier à Maxime Rioux pour son
expertise, ses conseils et tous les fous rires. Merci aussi à Yannick Ledemi pour son sens
critique et sa rigueur scientifique. Je tiens à remercier Annie-Kim, Michel, Stepan et Tea
pour les nombreux moments et conversations déraisonnés. Mention à Victor Bélanger-
Garnier et Guillaume Salek qui ont su me partager leurs connaissances et qui m’ont permis
d’ouvrir mes horizons scientifiques.

Finalement, je voudrais remercier l’ensemble de ma famille et mes amis, plus
particulièrement mes parents pour m’avoir imprégné de leur passion des sciences et m’avoir
supporté au fil des années et des défis. Un dernier et grand merci à Amélie Poirier qui a su
m’épauler et me motiver dans la réalisation de ce projet.

 xiv

Avant-Propos

 Ce mémoire présente les résultats obtenus au cours de ma maîtrise sous forme d’u
article soumis dans un journal scientifique. Cet article a permis de rapporter à la communauté
scientifique l’étude effectuée sur un nouveau système vitreux ayant des applications directes
en optogénétique et en électrophysiologie. J’ai personnellement mené la majorité des travaux
expérimentaux, l’analyse des résultats ainsi que la rédaction du manuscrit présenté. Le
Chapitre 5 présente l’article scientifique, publié le 10 mai 2017 dans la revue Journal of Non-
Cristalline Solids, où je figure à titre de premier auteur. Maxime Rioux et Yannick Ledemi
sont présents à titre de coauteurs pour leur collaboration au cours des manipulations ainsi que
pour leur révision du manuscrit, tout comme M. Younès Messaddeq, qui est le directeur de
recherche. Ce premier article présent les caractérisations physicochimiques, optiques et
électriques réalisées sur différentes compositions de verres du système AgI-AgPO3-Ag2WO4.
Les résultats obtenus sont interprétés et comparés aux exigences des applications en
optogénétique et d’électrophysiologie. Un deuxième article scientifique concernant cette
même composition vitreuse a été publié le 29 juin 2017 dans la revue scientifique Journal of
Physical Chemistry C. Cet article, qui ne figure pas dans ce mémoire, est une étude d’un
point de vue structural des verres. Il se veut complémentaire aux travaux et résultats présentés
dans ce mémoire.

 xv

Chapitre 1 – Mise en contexte

 Les fibres multifonctionnelles sont, de nos jours, grandement utilisées dans différents
domaines, et leurs fonctionnalités reposent généralement sur une combinaison de matériaux,
de structures ou de géométries spécifiques[1–3]. Par exemple, dans le domaine de l’optique,
un laser peut être utilisé pour modifier l’indice de réfraction de certaines zones d’un verre,
créant ainsi un réseau de Bragg[4]. Dans le cadre d’études environnementales, une fibre de
verre peut contenir plusieurs capillaires et cœurs optiques pour être utilisée comme sonde de
détection et d’échantillonnage[5]. Actuellement, l’optogénétique et l’électrophysiologie sont
des domaines d’application conjoints prometteurs pour apporter un traitement ciblé aux
cellules neuronales inactives[6,7]. Les sondes présentement utilisées sont constituées de fibres
multifonctionnelles obtenues par des procédés complexes ou reposent sur une combinaison
de différents matériaux. La simplification du procédé de fabrication et l’optimisation des
propriétés de ces fibres peuvent permettre un avancement dans ces domaines. Afin de mieux
comprendre les demandes et problématiques reliées à cette application, l’optogénétique et
l’électrophysiologie sont détaillées séparément.

 1. Optogénétique et électrophysiologie

 L’optogénétique est une méthode qui utilise la modification cellulaire afin de rendre une
cellule sensible à la lumière d’une couleur spécifique. Il a été démontré qu’avec l’aide d’un
virus porteur[8], il est possible de modifier génétiquement une cellule neuronale afin d’ajouter
une protéine photosensible à sa membrane cellulaire[9–11]. La Channelrhodopsine-2 (ChR2)
est l’une des protéines utilisées dans ce domaine. Celle-ci est exprimée naturellement dans la
membrane cellulaire des algues vertes Chlamydomonas reinhardtii, un organisme
unicellulaire[10]. Lorsqu’illuminée avec une lumière bleue, un changement de conformation

 1

survient au niveau structural de la protéine, formant ainsi un canal ionique
intramembranaire[12]. Les spectres d’activations de trois protéines différentes sont présentés
à la Figure 1. Dans le cas de la ChR2, on voit que l’activation est possible avec des longueurs
d’onde dans la gamme du bleu (450 à 500 nm) avec un maximum d’efficacité à 470 nm. Le
changement de conformation de cette protéine photosensible permet le passage des cations
Na+ et Ca2+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire, créant ainsi une
augmentation de concentration de ces cations et donc la dépolarisation de la cellule[13,14]. Cela
induit un potentiel électrique et permet aux algues d’effectuer de la phototaxie, soit un
mouvement induit par une excitation lumineuse.

Faisant appel au biomimétisme, cette sensibilité lumineuse se retrouve au niveau des
neurones génétiquement modifiés. Après l’illumination du neurone ciblé, il y a modification
structurale de la protéine photosensible. Cela permet la migration des cations à travers le
canal ionique et génère un potentiel électrique. L’optogénétique utilise donc la modification
cellulaire pour sensibiliser les cellules neuronales à la lumière et provoquer la dépolarisation
cellulaire des neurones ciblés. De cette façon, cette méthode permet d’étudier les
phénomènes électrochimiques au niveau du cerveau.

 Figure 1 – Activité relative de protéines photosensibles selon la longueur d’onde
d’illumination[12] (A) et schématisation du transport passif de cations sodium et calcium par
 une protéine ChR2 dans le milieu intracellulaire[13] (B).

 2

L’électrophysiologie, pour sa part, étudie des phénomènes électriques et électrochimiques
dans le corps ou dans les cellules. Tel que mentionné précédemment, le changement de
concentration en ions génère un potentiel électrique lors d’une dépolarisation cellulaire. Cette
dépolarisation est utilisée dans le corps humain pour effectuer les contractions musculaires
et transmettre un signal électrique entre les neurones. En électrophysiologie, la mesure de ces
variations de potentiel électrique est possible via un médium conducteur électrique. Cette
méthode est principalement utilisée pour étudier les mécanismes cérébraux et
cardiaques[15,16]. Par exemple, l’électroencéphalographie (EEG) est une technique se basant
sur l’électrophysiologie et qui utilise plusieurs sondes conductrices disposées sur la surface
du crâne afin d’acquérir des valeurs de potentiel électrique suite à une excitation externe (voir
Figure 2)[17,18].

 Figure 2 – Schématisation de mesures par électroencéphalographie 1.

En combinant les deux méthodes, il est donc possible de modifier génétiquement les cellules
neuronales d’un patient pour qu’elles présentent la protéine photosensible ChR2 dans leur
membrane. L’insertion d’un médium guidant la lumière permet de cibler une ou des cellules
afin d’y induire une dépolarisation[10]. Un conducteur électrique peut aussi être placé à
proximité des cellules ciblées afin d’enregistrer le potentiel électrique généré par la
dépolarisation cellulaire induite par l’excitation lumineuse[19]. Par conséquent, il est possible
d’étudier l’activité et les connexions entre les neurones de façon très sélective[14,15]. Avec

1
 http://www.olavkrigolson.com/that-neuroscience-guy/archives/04-2016. Consulté le 29 octobre 2016
 3

l’excitation lumineuse, ces méthodes permettent également de générer un signal électrique
entre des neurones endommagés ou inactifs suite à un accident vasculaire cérébral.
L’optogénétique pourrait aussi apporter un traitement, sans effets secondaires, à des maladies
atteignant le cerveau (Alzheimer, autisme, schizophrénie), ce qui constitue un avantage
majeur par rapport à l’administration classique de médicaments[8].

Dans le but de maîtriser et de maximiser les données récoltées par l’optogénétique et
l’électrophysiologie, les sondes utilisées pour transmettre la lumière et l’électricité doivent
répondre à des spécifications définies. En vue d’insérer le dispositif à différents endroits dans
le cerveau, la sonde doit être filiforme. Elle nécessite aussi d’être chimiquement stable pour
ne pas se dégrader dans les conditions biologiques. La sonde doit être de l’ordre du
micromètre afin d’être adaptée à l’analyse de cellules uniques qui mesurent entre 4 et 10
μm[20]. Pour pouvoir illuminer la protéine photosensible ChR2, la sonde devra transmettre la
lumière visible, car la photosensibilité de cette protéine atteint son maximum autour de
470 nm[9,10,12]. Finalement, afin de pouvoir capter et transmettre le potentiel électrique généré
lors de la dépolarisation cellulaire, la sonde devra conduire l’électricité.

Les perspectives de l’optogénétique et de l’électrophysiologie pour le traitement de certaines
maladies ont engendré, depuis déjà quelques années, beaucoup de recherche. Celle-ci fait
intervenir et collaborer des scientifiques avec des spécialités et formations différentes. Ce
mémoire se concentrera principalement sur les avancées au niveau de l’élaboration et de la
fabrication de nouvelles sondes.

 2. État de l’art

 Plusieurs systèmes à base de fibres optiques et de micro-dispositifs conduisant
l’électricité et guidant la lumière dans la région du visible ont déjà été publiés dans différents
journaux scientifiques[6,7,13,21,22]. L’un de ces prototypes de sonde, élaborée par une équipe
 4

de l’Institut universitaire en santé mentale de Québec, est un dispositif basé sur la géométrie
d’une fibre optique[22,23]. Cette fibre multifonctionnelle est composée d’un cœur en silice
faisant office de médium transparent guidant la lumière et d’un capillaire rempli d’une
solution saline agissant à titre de médium conducteur électrique (voir Figure 3). Les
concepteurs ont démontré qu’une technique de chauffage et d’étirement localisé permet
d’obtenir un embout effilé d’environ 10 μm de diamètre, ce qui rend la sonde adaptée à
l’analyse de neurones uniques. Cette fibre a permis d’obtenir des mesures par
électrophysiologie de cellules neuronales génétiquement modifiées, établissant ainsi une des
premières démonstrations de cette méthode[22,23].

 Figure 3 – Schéma d’une sonde avec cœur optique en silice et capillaire[22].

Par contre, ce prototype présente quelques inconvénients. Tout d’abord, la dilution de la
solution saline dans le milieu biologique peut modifier la conductivité électrique de cette
dernière. Les mesures de potentiel électrique effectuées sont donc variables en fonction du
temps d’acquisition des données. Cette problématique limite l’utilisation de cette sonde à des
mesures échelonnées sur une période de temps relativement courte. D’autre part, la formation
de l’embout effilé de la sonde est effectuée par étirage manuel de la fibre ce qui peut donner

 5

des résultats aléatoires. Le capillaire contenant la solution ionique peut aussi se refermer sur
lui-même lors de la formation de l’embout et ainsi produire une sonde inutilisable.

L’équipe de M. Andres Canales du Massachusetts Institute of Technology a proposé une fibre
multifonctionnelle pouvant être utilisée comme sonde pour l’électrophysiologie[21]. Cette
fibre utilise une combinaison de matériaux pour obtenir les propriétés de conductivité
électrique et de transparence optique désirées. Le polycarbonate (PC) sert à transmettre la
lumière, un copolymère d’oléfine cyclique (COC) est utilisé à des fins mécaniques, le
polyéthylène conducteur (CPE) et de l’étain ont comme fonction de conduire l’électricité.
Comme on peut le voir à la Figure 4, les différents matériaux sont assemblés manuellement
sous forme d’un cylindre (préforme) qui est ensuite étiré en fibres.

 Figure 4 – Schématisation des étapes de fabrication d’une préforme (A), photo d’une
 préforme lors de l’étirement (B), image de deux configurations de fibre (C,E) et image
 montrant la transmission de chacune des fibres (D,F)[21].

Le principal avantage d’utiliser cette combinaison de polymères et de métal est l’amélioration
de la stabilité chimique de la sonde dans un milieu biologique. Par contre, la fabrication d’une
telle fibre comporte une certaine complexité quant à l’alignement et la disposition des
constituants. La fabrication de cette fibre est faite manuellement, et un mauvais alignement
peut engendrer des défauts de géométrie de la fibre finale. Aussi, les matériaux utilisés
doivent posséder des températures de ramollissement similaires et doivent être compatibles
 6

chimiquement afin de former une fibre. De plus, la température utilisée lors de l’étirement
de la préforme est aussi limitée par la présence de polymères qui peuvent se décomposer à
haute température. L’utilisation d’étain métallique dans cette sonde est un inconvénient
majeur pour l’application visée. En effet, il a été démontré que l’utilisation d’un métal comme
conducteur électrique peut créer des artéfacts électriques lors des mesures en
électrophysiologie[24]. Lorsqu’illuminée avec un laser de haute intensité, l’onde
électromagnétique possède une énergie suffisante pour faire osciller les électrons à la surface
du métal et créer un potentiel électrique[25]. Cet effet photoélectrique peut accentuer les
valeurs de potentiel électrique générées par les neurones et ainsi fausser les valeurs récoltées
lors des mesures. Finalement, avec un diamètre mesurant 100 nm et plus, l’analyse de
neurones spécifiques n’est pas possible avec les prototypes de sondes présentés par cette
équipe.

Lors de ses travaux de doctorat au sein du groupe de recherche du Pr Younès Messaddeq,
Maxime Rioux a élaboré une fibre optique composée d’un verre pouvant transmettre la
lumière et ayant des propriétés de conducteur électrique ionique[26]. Cette fibre est basée sur
le système vitreux binaire AgI-AgPO3 dans lequel a été ajouté de l’oxyde de tungstène
(WO3). L’iodure d’argent (AgI) est présent pour contribuer à la conductivité électrique
ionique du verre. Le phosphate d’argent (AgPO3) agit comme matrice vitreuse dans laquelle
les autres composés sont dissouts. Certains verres de phosphate, comme les verres AgI-
AgPO3, sont connus pour leur caractère hygroscopique menant à leur dégradation progressive
par réactions d’hydrolyse[27]. L’incorporation d’oxyde de tungstène à la matrice vitreuse
permet de réduire la vitesse de dégradation du verre[28]. En augmentant leur concentration en
WO3, les verres ont ainsi démontré une plus grande stabilité face à l’hydrolyse en milieu
aqueux[26]. Les verres obtenus, suivant la loi de composition molaire 45AgI-(55-x)AgPO3-
xWO3 (nommés AAWx), sont présentés à la Figure 5a en fonction de leur concentration en
WO3.

 7

Figure 5 – Photographie des verres AAWx (a) et d’une fibre de composition AAW15
 (b)[26].

Le verre contenant 15 % de WO3 a été choisi puisqu’il offre le meilleur compromis entre les
caractéristiques physiques, électriques et optiques pour la fabrication d’une fibre (Figure 5b).
Il a finalement été démontré que le diamètre d’une fibre composite, formée du verre AAW15
et de polymères (polycarbonate, poly(methyl methacrylate) et acrylique), peut être modifié
pour former un embout effilé permettant l’analyse d’un neurone unique. Par contre, comme
on peut le voir à la Figure 5a, l’addition progressive d’oxyde de tungstène modifie la
coloration des verres, passant du jaune à un rouge brunâtre. Au cours de cette étude[26],
l’hypothèse selon laquelle la réaction entre le WO3 et l’AgI serait responsable du changement
de coloration des verres a été émise. Ce changement de coloration des verres restreint la
transmission de la lumière du visible, notamment à la longueur d’onde effective (470 nm)
pour l’utilisation finale visée. De plus, la fabrication d’une fibre composite est plus complexe,
comme mentionnée et expliquée avec le prototype précédent.

 3. Objectifs du projet

 Plusieurs inconvénients ont été évoqués pour chacun des prototypes présentés
précédemment. L’utilisation d’un système comportant des conducteurs électriques solides
permet d’obtenir des valeurs qui ne varient pas dans le temps contrairement à l’utilisation
d’une solution conductrice électrique. Ensuite, l’usage d’un métal comme conducteur
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électrique n’est pas favorisé, étant donné qu’il y a une interaction entre celui-ci et la longueur
d’onde utilisée en optogénétique. Enfin, l’utilisation d’un seul composant pouvant
transmettre la lumière et l’électricité permet de simplifier la conception et la répétabilité des
sondes produites. Ainsi, suivant les différentes spécifications concernant l’application en
optogénétique/électrophysiologie, une sonde utilisant un verre transparent et conducteur
ionique semble répondre le mieux à ces exigences. Il a été démontré que les verres de
composition AgI-AgPO3-WO3[26] peuvent s’approcher des propriétés optiques et électriques
recherchées. Avec l’expertise dans le domaine des verres au sein du laboratoire du Pr Younès
Messaddeq, la recherche d’une nouvelle composition de verre peut être faite afin de répondre
à la présente demande. Les buts principaux de ce projet de maîtrise au sein de ce groupe sont
donc :

 • d’étendre la transmission optique dans la région du visible des verres à base de AgI-
 AgPO3 pour l’utilisation d’un laser à 470 nm ;

 • d’obtenir une conductivité électrique (10-3 S·cm-1) permettant d’analyser les
 phénomènes de dépolarisation électrique de neurones ciblés ;

 • de fabriquer une fibre optique ayant une transmission optique autour de 470 nm, une
 conductivité électrique et une résistance chimique permettant une application directe
 en électrophysiologie.

La nouvelle composition de verre doit permettre une transparence optique autour de 470 nm
afin de conduire le laser d’excitation jusqu’à la(les) cellule(s) neuronale(s) modifiée(s) ce qui
engendrera le changement de conformation de la protéine ChR2 présente dans leur
membrane. Une conductivité électrique (AC) autour de 10-3 S·cm-1, soit environ 10 Mohm,
doit être obtenue pour faire l’acquisition du potentiel électrique engendré lors de la
dépolarisation des neurones. Étant donné que l’application requiert l’acquisition du potentiel
électrique d’un neurone, une trop grande conductivité électrique transmettrait l’activité
électrique de neurones situés en périphérie de la zone ciblée. Chacun des verres obtenus doit
être étudié d’un point de vue physicochimique, optique et structural afin d’en optimiser les
propriétés reliées à la composition vitreuse. À partir d’une composition optimale, des fibres

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seront fabriquées pour en faire une microsonde. Elles seront caractérisées et leurs propriétés
pourront être modifiées en variant la composition du verre utilisé.

L’utilisation du système de base AgI-AgPO3 a été le point de départ de cette étude. Ce
système est déjà largement étudié dans la littérature et ses verres possèdent les plus hautes
valeurs de conductivité électrique ionique reportées[29–31]. L’utilisation d’une matrice de
phosphate octroie une polyvalence quant aux composés pouvant y être dissouts[28,32] et
possède la propriété d’être biocompatible[27,33,34]. Un métal de transition peut être ajouté, au
même titre que l’oxyde de tungstène, pour stabiliser les verres face aux réactions d’hydrolyse.
Par contre, ce composé ne doit pas modifier la coloration du verre afin d’obtenir un verre
ayant une meilleure transmission dans la région du bleu. Ce mémoire présente les différentes
options envisagées au cours de cette maîtrise. Les résultats obtenus, inclus sous forme d’un
article scientifique, présentent le développement, l’optimisation et l’analyse de nouvelles
compositions de verres pour la fabrication de microsondes pour l’électrophysiologie.

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Chapitre 2 – Rappels théorique

 Avant même que l’être humain possède ses connaissances en fabrication de verres,
celui-ci utilisait déjà un matériau vitreux naturel[35]. L’obsidienne, formée naturellement par
le refroidissement de lave volcanique et contenant une haute teneur en oxyde de silicium,
était taillée et utilisée par l’homme préhistorique comme objet tranchant ou comme pointe de
flèche. Ce n’est qu’autour de 2000 av. J.-C. que les Égyptiens ont découvert qu’ils pouvaient
obtenir un matériau vitreux à des températures relativement basses en ajoutant une certaine
substance à un sable riche en oxyde de silicium (SiO2). Ces substances sont aujourd’hui
connues sous le nom d’agents fondants et comprennent des composés tels que les oxydes de
sodium (Na2O) et de calcium (CaO)[36]. La présence d’impuretés d’oxydes de métaux comme
le fer (Fe), le cuivre (Cu) ou le chrome (Cr) permettait d’obtenir des verres avec une certaine
coloration. Ainsi, jusqu’au 13e siècle, le verre était majoritairement utilisé pour son aspect
esthétique plutôt que pour son côté pratique. En effet, on retrouve le verre dans plusieurs
constructions sous forme de vitraux[37], mais il était aussi utilisé pour créer des récipients et
des bijoux[35]. Ce n’est que plus tard que la stabilité chimique et la formabilité du verre se
sont révélées indispensables pour l’avancement scientifique. La fabrication d’objets tels que
les miroirs et les lentilles optiques a permis la réalisation des télescopes de l’époque. Ce
matériau a aussi été utilisé pour la fabrication du baromètre, du thermomètre et de verreries
de laboratoire, permettant d’acquérir de nouvelles connaissances et expertises[35].

De nos jours, le verre est utilisé dans une multitude de domaines tels que les
télécommunications, l’architecture, les systèmes optiques, la gestion de produits radioactifs
et bien d’autres[36,38–43]. Chacun des verres utilisés comporte certaines propriétés spécifiques
à sa composition chimique, comme une transparence optique dans une région spécifique du
spectre électromagnétique ou bien une résistance mécanique et/ou chimique accrue. Ces
propriétés font en sorte que ce matériau présente divers avantages par rapport aux autres
matériaux modernes, tels que l’acier ou le bois. Quoique le verre soit omniprésent dans notre
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société, sa définition exacte ainsi que son élaboration au niveau chimique n’est pas connue
de tous. Ce chapitre vise donc à définir et présenter les différentes exigences pour
l’élaboration d’un verre, l’influence de la composition sur ses propriétés ainsi qu’une brève
description du système vitreux utilisé au cours de la maîtrise.

 1. Définition du verre

 Afin de mieux comprendre la nature du verre, on peut le comparer avec le cristal. On
voit, à la Figure 6 ci-dessous, la différence d’organisation structurale entre un cristal et un
verre simple, constitués tous deux d’atomes de silicium (cercles noirs) et d’oxygène (cercles
blancs). L’arrangement des atomes au sein du cristal est très ordonné, et ce, à très longue
distance. Les atomes sont parfaitement ordonnés sous cette forme et ce système possède un
minium d’énergie libre et est thermodynamiquement favorisé à basse température[36]. D’autre
part, l’arrangement atomique d’un solide vitreux est aléatoire et une organisation atomique
est seulement présente à courte distance. Le verre a été défini ainsi par J. Zarzycki : « Le
verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse (Tg) » [44].

 Figure 6 – Représentation 2D de la structure ordonnée propre au cristal et désordonnée
 propre au verre[36].

Pour comprendre le phénomène de transition vitreuse mentionné par J. Zarzycki[44], il est
important d’élaborer sur la formation d’un verre. Tel que présenté à la Figure 7, lorsqu’un
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liquide est refroidi, il atteint sa température de fusion/cristallisation (Tf). Par contre, lorsqu’un
liquide est refroidi assez rapidement, celui-ci peut surpasser cette température et atteindre un
état qu’on appelle « état surfondu ». À cette température, la viscosité du liquide est
relativement grande, mais les atomes possèdent encore une certaine mobilité. En le
refroidissant davantage, la viscosité continue à augmenter et le mélange surfondu atteint la
température limite à laquelle les atomes possèdent une quantité de mouvement dans le verre.
Cette température est nommée « température de transition vitreuse » (Tg) et est spécifique à
chaque composition de verre ainsi qu’à ses conditions de fabrication et mesures. Sous cette
température, on dit que la viscosité du liquide est infinie et qu’il possède les caractéristiques
physiques d’un solide. Par contre, ce solide est composé d’atomes complètement
désordonnés formant un matériau métastable d’un point de vue thermodynamique[36,45,46].

 Figure 7 – Diagramme présentant les différents stades de la formation d’un verre et d’un
 cristal en fonction de la température[36].

Tout comme un cristal se caractérise par une température de fusion qui lui est propre, chaque
verre possède une température de transition vitreuse bien spécifique qui varie en fonction des
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