DS0412 -

Electrodes poreuses biocompatibles et biofonctionnelles pour des biopiles enzymatiques miniaturisées – BIO3

Résumé de soumission

L'objectif de notre projet est de concevoir une cellule à bio-combustible, complètement intégrée, extrêmement miniaturisée et parfaitement biocompatible, capable de produire de l'électricité à partir d'oxygène et de glucose. L'énergie produite pourra servir à la mesure en continu, par cette même cellule, de la concentration de glucose. Ce type de dispositif est particulièrement adapté aux besoins pour le traitement des patients diabétiques. Cependant, de nombreux défis doivent être relevés avant l'implantation effective de tels dispositifs, et ces défis multiples motivent notre projet pluri-disciplinaire.
Faire fonctionner ce type de cellule à biocombustible à haute densité de puissance est un défi car il nécessite qu'une grande quantité d'enzymes puissent être connectées efficacement à l'anode et à la cathode, et que ces enzymes aient une activité spécifique très élevée. Cela suppose aussi que le flux de substrats et de produits de la réaction enzymatiques ne soit pas limité par la diffusion depuis les, sources (vaisseaux sanguins). Il faut aussi que la cellule soit assez petite pour être implantée dans un tissu. Ce qui constitue peut-être le défi majeur est l'obtention d'une biocompatibilité parfaite du dispositif, de façon à empêcher que les réactions du tissu hôte n'endommagent ou isolent le dispositif, conduisant à la perte de sa fonction.
Dans ce contexte, et contrairement à l'approche d'autres laboratoires concurrents, nous voulons traiter ces questions simultanément, en se basant sur les connaissances et les compétences de quatre partenaires.
Le premier objectif de ce projet consiste à optimiser l'architecture des électrodes en proposant une structure coaxiale modulaire, permettant l'intégration de l'anode et de la cathode dans un dispositif unique de très faible dimension. Cela implique l'augmentation de la surface active de nos électrodes, étape cruciale pour atteindre une densité de puissance élevée, grâce à des structures poreuses hiérarchisées et hautement organisées.
Le second objectif est de tester la toxicité in vitro de tous les composants du dispositif, afin de minimiser les risques d'effets secondaires in vivo. L'absence de cytotoxicité est nécessaire avant que des tests in vivo puissent être entrepris, et sera obligatoire pour obtenir l'accord des autorités pour avoir accès au marché.
Le troisième objectif est central dans notre projet, car il vise à assurer la fonctionnalité à long terme in vivo du dispositif en optimisant sa biocompatibilité. Cette étude implique la mesure de l'activité et l'analyse des réponses tissulaires électrode. Le défi consiste à identifier les causes de la défaillance du dispositif et de modifier la conception des électrodes pour améliorer ses performances. Elle implique des boucles interactives entre les concepteurs d'électrodes et les biologistes.
Comme les études préliminaires ont montré que les électrodes déclenchent la fibrose, un quatrième aspect essentiel du projet est de développer un hydrogel biocompatible, pour envelopper les électrodes et donc de prévenir les réactions à corps étranger, stabiliser les enzymes immobilisées dans les pores et assurer une plus grande longévité de l'appareil. Une question clé pour l'hydrogel est la double-interface électrodes / Hydrogel et hydrogel / tissus biologiques. Afin de concevoir une interface biocompatible, un gel formé à partir de molécules de faible poids moléculaire (LMWG) sera utilisé pour envelopper des électrodes par l'intermédiaire d'une stratégie d'ancrage non covalente, à savoir l'auto-assemblage du LMWG à la surface de l'électrode. Des expériences préliminaires de voltamétrie, réalisés avec des électrodes en or macroporeux et revêtues de gel formé à partir d'un composé glyco-nucléo-fluorocarboné, indiquent que les électrodes à base d'hydrogel hybrides peuvent être de bons candidats pour le développement de dispositifs électrochimiques biocompatibles en général.

Coordinateur du projet

Madame Claudine Boiziau (Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSERM Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale
CRPP-UPR 8641 Centre de Recherche Paul Pascal
INSERM Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale
UMR 5255 Institut des Sciences Moléculaires
University of Toronto Laboratory of Tissue Repair and Regeneration

Aide de l'ANR 539 345 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 42 Mois

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