Il n’y a rien de tel qu’une tasse de café fumant pour donner un coup de fouet à votre matinée. Maintenant, il y a encore une autre raison d’aimer la boisson. Aujourd’hui, les chercheurs rapportent la première application de marc de café utilisé comme revêtements d’électrodes respectueux de l’environnement pour des mesures neurochimiques sensibles. Le matériau pourrait éventuellement aider les scientifiques à mieux maîtriser l’activité cérébrale et à détecter des niveaux infimes de neurotransmetteurs.
Les chercheurs présenteront leurs résultats lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 20 au 24 mars, avec un accès à la demande disponible du 21 mars au 8 avril. La réunion propose plus de 12 000 présentations sur un large éventail de sujets scientifiques.
Le marc de café usé était auparavant utilisé pour fabriquer des supercondensateurs en carbone poreux pour le stockage de l’énergie. Mais maintenant, une nouvelle recherche dirigée par la chercheuse principale Ashley Ross, Ph.D., a pris les déchets de café recyclés dans une autre direction, plus biologique. Elle et son équipe ont démontré que des électrodes recouvertes de carbone provenant de ces déchets peuvent détecter des traces de biomolécules in vitro. Selon Ross, il s’agit du premier exemple de marc de café résiduel réutilisé pour des applications de biodétection.
J’ai vu des articles sur l’utilisation de terres épuisées pour produire du carbone poreux pour le stockage d’énergie, et j’ai pensé que nous pourrions peut-être utiliser ce matériau conducteur dans notre travail de détection en neurochimie. Et j’ai aussi pensé que ce serait une bonne excuse pour acheter beaucoup de café pour le labo ! »
Ashley Ross, Ph.D., chercheuse principale
Ross est à l’Université de Cincinnati et plusieurs membres de son équipe sont des amateurs de café autoproclamés.
Les microélectrodes traditionnelles utilisées par les neuroscientifiques sont généralement fabriquées à partir de fibre de carbone – ; brins de carbone fins et solides regroupés. Leur fabrication est généralement un processus ardu et coûteux, impliquant plusieurs étapes et des produits chimiques agressifs. Finalement, Ross veut fabriquer des électrodes entières avec du carbone à partir de marc de café car ce type d’approche serait peu coûteux et respectueux de l’environnement. Comme première étape vers la réalisation de cet objectif, les chercheurs ont adapté le matériau du sol en tant que revêtement pour les électrodes conventionnelles.
Kamya Lapsley, qui était étudiante d’été au laboratoire de Ross et qui est actuellement étudiante de premier cycle à la Kent State University, a relevé ce premier défi. Elle et d’autres membres du laboratoire ont séché le marc de café utilisé et l’ont chauffé dans un four tubulaire à environ 1 300 F. Ensuite, ils ont ajouté le matériau à une solution d’hydroxyde de potassium pour activer le carbone et ouvrir des trous dans la structure. Ensuite, les chercheurs ont de nouveau chauffé le mélange sous azote gazeux pour éliminer tous les sous-produits indésirables. Ce qui restait était une bouillie d’encre pleine de particules de carbone poreux. Dans une dernière étape, les chercheurs ont dilué la boue avec de l’eau, dans laquelle ils ont plongé les électrodes en fibre de carbone pour les recouvrir d’une couche de carbone poreux près de cent fois plus fine que le diamètre d’un cheveu humain.
Les chercheurs ont comparé les performances des électrodes revêtues et non revêtues pour détecter de petites quantités de dopamine, un neurotransmetteur, avec la voltamétrie cyclique à balayage rapide. Avec cette technique, ils ont appliqué une tension variant rapidement à l’électrode pour oxyder et réduire alternativement la dopamine. La technique est suffisamment rapide pour détecter la libération de neurotransmetteurs en moins d’une seconde, comme cela se produirait dans le cerveau. Les chercheurs ont découvert que les électrodes revêtues de carbone poreux atteignaient des niveaux de courant oxydatif plus de trois fois supérieurs à ceux des fibres de carbone nues en présence de dopamine, indiquant que l’électrode revêtue offrait une surface plus sensible pour la détection de la dopamine. Non seulement la structure poreuse permet à davantage de molécules de dopamine de participer à la réaction en raison de la grande surface du revêtement, mais elle emprisonne également momentanément les molécules de dopamine dans les crevasses de l’électrode, explique Ross. Ces propriétés augmentent la sensibilité et permettent aux chercheurs d’effectuer des mesures plus rapides. Le groupe explore actuellement l’impact de ces revêtements poreux sur la résolution temporelle de la technique.
Ensuite, l’équipe fabriquera des électrodes en fibre de carbone à partir de zéro avec du carbone poreux provenant de déchets de marc de café, ce qui donnerait aux électrodes une porosité uniforme non seulement en surface, mais aussi de part en part. Ross prédit que cela augmentera leurs capacités de détection neurochimique car une surface totale encore plus grande de l’électrode sera exposée pour adsorber les molécules de dopamine. Dans le même temps, Ross prévoit de tester les électrodes enrobées de café actuelles dans le cerveau de rats vivants.
En attendant, les matériaux de départ ne manqueront pas pour mener à bien les prochaines étapes du projet, car tout le labo semble aimer leur brassage. « Les étudiants diplômés ont fourni pas mal de marc de café – ; plus que nous n’en aurons jamais besoin », explique Ross. « Tout mon laboratoire a vraiment adoré ce projet. »
