Projet ANR-12-BS08-0011 – RATIOCELLS : Ingénierie de matériaux poreux et d’enzymes pour le développement de biopiles
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas MANO (Centre de Recherche Paul Pascal)
Partenaires : Institut des Sciences Moléculaires; Institut des Sciences Moléculaires
Montant : 514999.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : Mise au point de bio-batteries utilisant le glucose et l’oxygène du corps humainDévelopper de nouvelles sources d’énergie pour alimenter des capteurs médicaux implantés
Utiliser le glucose et l’oxygène du corps humain comme source d’énergieL’objectif de ce travail consiste à fabriquer la plus petite biopile glucose /O2 jamais construite, jetable et très bon marché. Elle fonctionnera sous la peau de façon autonome en puisant l’énergie chimique du couple O2-glucose naturellement présent dans les fluides physiologiques pour alimenter des dispositifs médicaux implantés. Cette biopile ouvre des voies nouvelles telles que, par exemple, la réalisation de capteurs autonomes sous-cutanés mesurant le taux de glucose chez les patients diabétiques
Approche multi et interdisciplinaireNotre stratégie consiste à développer, contrôler et optimiser tous les éléments de la biopile. Trois grands axes de recherche principaux sont donc développés dans ce projet: 1) l’ingénierie des enzymes, 2) le développement de nouveaux matériaux d’électrodes afin de pouvoir augmenter la stabilité et la puissance de la biopile, 3) la compréhension des régimes de diffusion dans ces matériaux.
Résumé de la soumission : La génération et conversion d’énergie pour le fonctionnement de microdispositifs sont aujourd’hui des défis pour de nombreuses applications : médical, robotique, micro-mécanismes (transport, biens d’équipements courants, robotique, communication, etc). Les besoins d'appareils médicaux  par exemple augmentent à un rythme annuel d'environ 10% pour dépasser aujourd’hui 200 milliards de dollars/an. Cela va des systèmes pour le diagnostic à des outils de microchirurgie. Les systèmes de diagnostic tels que des dispositifs pour la détection du diabète concernent une grande partie de la population. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, en 2005, 180 millions de personnes dans le monde (dont 1,5 million en France) ont le diabète et ce nombre va probablement plus que doubler d'ici 2030. Si des systèmes médicaux intégrés, tels que les pacemakers ou les défibrillateurs, sont désormais disponibles, des systèmes comprenant des capteurs miniatures et des pompes médicales n'existent pas car ces appareils sont limités par la taille de leur batterie et l’efficacité de conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.               L’objectif à long terme de notre travail est la réalisation des biopiles capables de puiser l’énergie chimique du couple O2/glucose naturellement présent dans les fluides physiologiques pour alimenter des dispositifs médicaux implantés tels que, par exemple, des capteurs autonomes sous-cutanés mesurant le taux de glucose chez les patients diabétiques. Dans un article publié récemment dans Nature Communications, nous avons décrit la biopile la plus puissante à ce jour, générant 740 µW cm-2 à + 0,57 V. Cependant, ces améliorations même notoires ne sont pas encore suffisantes pour atteindre les puissances nécessaires à l’alimentation de capteurs médicaux. De nombreuses recherches fondamentales sont nécessaires afin d’atteindre cet objectif.                  Il existe deux voies importantes d’amélioration : 1) les enzymes utilisées à la cathode, qui permettent la réduction d’O2 en H2O, sont de la famille des Bilirubine Oxydases (EC 1.3.3.5). Leur efficacité est critique car elle conditionne directement la tension et la densité de courant, soit la puissance, de la biopile. Hors à ce jour, c’est la partie limitante de notre biopile. Augmenter l’activité de cette enzyme par génie génétique constituera le premier axe de recherche du projet.                    Cependant, il est aussi nécessaire d’augmenter la surface spécifique des électrodes pour améliorer la puissance de la biopile. Cela constituera le deuxième axe de recherche. Pour ce faire, à l aide de modèles, nous élaborerons des matériaux poreux hiérarchiques pour répondre à ces besoins. De plus, plutôt que de se concentrer uniquement sur des biopiles implantables, nous élaborerons également des matériaux pour un domaine d’applications plus large requérant plus de puissance telles que l’alimentation de téléphones portables. L’élaboration de ces matériaux suit trois stratégies complémentaires en fonction de l’application visée : -synthèse de structures macro- et mesoporeuses métalliques –mise au point d’un procédé de filage de nanotubes de carbone intégrant un médiateur redox –synthèse de matériaux poreux à base de carbone.                      L’ensemble de ces matériaux sera testé par rapport à leur efficacité en termes de transport de matière et transfert d’électrons pendant leur mise en œuvre en tant qu’électrodes dans une biopile pour en choisir le plus performant, ce qui devrait conduire à une biopile haute performance avec un grand degré d’intégration et/ou de miniaturisation.