Fabrication et optimisation d'une biocathode abiotique pour une biopile à glucose implantable

Synthesis of an abiotic biocathode for an glucose implantable biofuel cell

• Auteur / Autrice : Gauthier Menassol
• Direction : Donald Martin, Lionel Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble) - Systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’énergie et la santé (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Naceur Belgacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Servat, Pankaj Vadgama
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Tingry, Stéphane Marinesco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs médicaux implantables

Biopiles enzymatiques

Mots clés libres

Biocathode

Implantable

Abiotique

Biopile

Optimisation

Implantable

Biofuel cell

Optimisation

Abiotic

Biocathode

Résumé

Dans le cadre du projet ANR biopile abiotique implantable (ImAbic) coordonné par l’INAC, ce travail de thèse avait pour objectif d’optimiser les performances et la stabilité d’une biocathode à base de graphène dopé au fer et à l’azote (Fe/N-rGO). Nous avons donc fabriqué et caractérisé différents types de biocathodes mettant en jeu différents liants afin de fournir des architectures d’électrodes les plus aptes à laisser diffuser en leur sein les espèces consommées et produites lors de la réaction. Lors de ces études, un liant c’est distingué des autres, le liant chitosan. De plus, une fois ce liant réticulé à l’aide de Génépine, nous avons observé une stabilité des performances électrochimique dans le temps, limitant la perte de densité de courant à 5% d’une biocathode ayant été stockée en condition physiologique pendant 27 mois. Durant ce projet, nous avons également développé un nouveau processus de fabrication des électrodes impliquant la lyophilisation, ce processus permet une augmentation de la porosité des électrodes et améliore les densités de courant massique d’un facteur 4 en comparaison à celles fournies par les électrodes compressées. Toutefois, cette amélioration se fait au détriment de la tenue mécanique et les électrodes obtenues deviennent alors plus sensibles aux chocs, afin d’apporter une solution à cette nouvelle problématique nous avons optimisé notre processus en ajoutant un support carboné à nos biocathodes lyophilisées, permettant d’améliorer la tenue mécanique tout en maintenant les propriétés électrochimiques.Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à l’étude de la biocompatibilité de notre système de biocathode. Nous avons effectué des tests préliminaires de culture cellulaire des différents matériaux susceptibles de composés notre biocathode en présence de cellules fibroblaste issues de souris : les cellules 3T3-L1. Ces tests démontrent une prolifération normale pour les différents liants utilisés, mais démontrent une viabilité perturbée des cellules face à la présence du catalyseur à hauteur de 10%. Fort de ces résultats, nous avons eu l’autorisation du comité d’éthique de Grenoble afin d’effectuer des implantations chez le rat. Deux biocathodes issues du procédé de compression et deux biocathodes issues du procédé de lyophilisation ont été implantées dans deux rats qui n’ont démontré aucun signe de souffrance et un comportement naturel durant la période d’implantation soit 1 mois. Après autopsie, aucun organe ne fut affecté par la présence des électrodes, d’autre part, sur les quatre implants, trois étaient enrobés d’un tissu biologique résultant de l’implantation. L’analyse histologique de ces tissus a montré une composition de tissu adipeux pour deux d’entre eux et une zone inflammatoire comprise entre 20 et 50µm, composée de cellules fibroblaste, de macrophages et de polynucléaire. Nous avons également pu observer que les tissus étaient fortement vascularisés.

Within the framework of the ANR biopile abiotic implantable (Imabic) project coordinated by INAC, this thesis work aimed to optimize the performance and stability of a biocathode based on iron and nitrogen-doped graphene (Fe/N-rGO). We have therefore manufactured and characterized different types of biocathods involving different binders in order to provide electrode architectures that are best suited to allowing the species consumed and produced during the reaction to be distributed within them. In these studies, one binder is distinguished from the others, the chitosan binder. In addition, once this binder was cross-linked using Genepine, we observed a stability of electrochemical performance over time, limiting the loss of current density to 5% of a biocathode that had been stored in physiological condition for 27 months. During this project, we also developed a new electrode manufacturing process involving freeze-drying, this process allows an increase in the porosity of the electrodes and improves the mass current densities by a factor of 4 compared to those provided by the compressed electrodes. However, this improvement is made at the expense of mechanical resistance and the resulting electrodes become more sensitive to shocks, in order to provide a solution to this new problem we have optimized our process by adding a carbon support to our freeze-dried biocathodes, allowing to improve the mechanical hold while maintaining the electrochemical properties. In the second part of this manuscript, we looked at the biocompatibility of our biocathode system. We carried out preliminary cell culture tests of the different materials likely to make our biocathode in the presence of mouse fibroblast cells: 3T3-L1 cells. These tests demonstrate a normal proliferation for the different binders used, but demonstrate a disrupted viability of the cells with respect to the presence of the catalyst at 10%. On the basis of these results, the Grenoble Ethics Committee approved the use of rat implants. Two biocathods from the compression process and two biocathods from the freeze-drying process were implanted in two rats that showed no signs of suffering and natural behaviour during the 1-month implantation period. After autopsy, no organ was affected by the presence of electrodes, on the other hand, on the four implants, three were coated with biological tissue resulting from implantation. Histological analysis of these tissues showed a fat composition for two of them and an inflammatory zone between 20 and 50 µm, consisting of fibroblastic cells, macrophages and polynuclear. We also observed that the tissues were highly vascularized.