Projet ANR-12-BS10-0017 – RETINO2 : Rétine Artificielle incorporant une Architecture Pixellisée de Nanotubes d’Oxyde de Titane
Programme : Blanc - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas Keller (Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyse)
Partenaires : Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire; Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Institut de Chimie et Procédés pour l'Énergie, l'Environnement et la Santé; TPE
Montant : 582939.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Rétine Artificielle incorporant une Architecture Pixellisée de Nanotubes d’Oxyde de TitaneReTInO2 consiste à développer un nouveau type de rétine artificielle, basé sur l’utilisation d’architectures pixellisées à base de nanotubes de dioxyde de titane verticalement alignés et modifiés physico-chimiquement pour absorber la lumière visible, agissant comme photorécepteurs artificiels en remplacement des photorécepteurs naturels dégénérés, lorsque le réseau neuronal ‘intelligent’ de la rétine persiste en partie.
Enjeux et objectifA l’heure actuelle, la majorité des maladies cécitantes reste incurable. De nombreuses pistes sont explorées pour ralentir ou stopper l’évolution de ces maladies, d’autres pour rendre aux patients déjà aveugles une vision «utile», c'est-à-dire autorisant une locomotion autonome, la lecture et la reconnaissance des visages. ReTInO2 consiste à développer un nouveau type de rétine artificielle, basé sur l’utilisation d’architectures pixellisées à base de nanotubes de dioxyde de titane verticalement alignés et modifiés physico-chimiquement pour absorber la lumière visible, agissant comme photorécepteurs artificiels en remplacement des photorécepteurs naturels dégénérés, lorsque le réseau neuronal ‘intelligent’ de la rétine persiste en partie, ce qui est le cas pour environ 50% des cécités dans les pays développés. Même en se limitant à un groupe de maladies rares comme les rétinites pigmentaires, 200 000 personnes seraient concernées dans le monde ; plusieurs millions pourraient bénéficier d’une rétine artificielle en incluant ne serait-ce qu’une partie des cas de dégénérescence maculaire liée à l’âge. Ceci confère à cette thématique un intérêt sociétal majeur.Dans cet axe, le projet ReTInO2 vise à développer un nouveau type de rétine artificielle, basé sur l’utilisation de TiO2 sous forme de nanotubes verticalement alignés et physico-chimiquement modifiés pour absorber la lumière visible. Cette structure favorise l’absorption des photons et le transfert de charges, ce qui devrait permettre d’obtenir une stimulation efficace des neurones avec des surfaces photosensibles <100x100µm, ce qui est requis pour viser une résolution de 1000 pixels au niveau de la zone maculaire (3x3mm).
Méthodes/approchesNotre approche est conduite par les choix suivants:- une implantation sous-rétinienne, pour utiliser au mieux les réseaux neuronaux persistant après la dégénérescence des photorécepteurs, car ils assurent un pré-traitement important de l’information visuelle avant sa transmission vers les centres supérieurs via le nerf optique,- l’implantation d’un seul élément, à la fois capteur de lumière et matrice d’électrodes, ne nécessitant pas de source extérieure d’énergie autre que la lumière, afin d’éviter le besoin d’un câble traversant la paroi oculaire et/ou l’implantation additionnelle d’un capteur d’énergie alimentant la matrice d’électrodes.L’objectif est de réaliser des dispositifs de rétine artificielle remplissant ces conditions, testables chez l’animal, et en particulier dans des rats atteints de rétinite pigmentaire (lignée P23H homozygote). Pour ce faire, des films de nanotubes de TiO2 alignés de plusieurs µm de long sont développés. Leur synthèse, leurs modifications physico-chimiques sensibiliser les à la lumière visible et leur micro-usinage requis pour la pixellisation sont étudiés. Les verrous sont liés au rendement des pixels de nanotubes alignés. Le principe a été montré. Nous devrions gagner en intensité par:- les avancées en synthèse de nanotubes modifiés physico-chimiquement pour adapter les propriétés morphologiques et optiques sous stimulation visible influençant le rendement de photoconversion,- l’isolation des pixels les uns des autres,- l’isolation d’une large partie de la surface du TiO2, pour focaliser l’émission du courant et limiter sa dissipation dans le milieu intercellules.
Résumé de la soumission : ReTInO2 consiste à développer un nouveau type de rétine artificielle, basé sur l’utilisation d’architectures pixellisées à base de nanotubes de dioxyde de titane, TiO2, verticalement alignés et dopés à l’azote, agissant comme photorécepteurs artificiels en remplacement des photorécepteurs naturels dégénérés, lorsque le réseau neuronal ‘intelligent’ de la rétine persiste en partie, ce qui est le cas pour environ 50% des cécités dans les pays développés. Même en se limitant à un groupe de maladies rares comme les rétinites pigmentaires, 200 000 personnes seraient concernées dans le monde ; plusieurs millions pourraient bénéficier d’une rétine artificielle en incluant ne serait-ce qu’une partie des cas de dégénérescence maculaire liée à l’âge. Ceci confère à cette thématique un intérêt sociétal majeur. Le concept de prothèse rétinienne basée sur la stimulation électrique du réseau neuronal partiellement persistant, validé dans différents essais cliniques, a conduit jusqu’à présent à des modèles comprenant tous des éléments implantés à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du globe oculaire, afin d’autoriser le transfert d’informations et/ou d’énergie vers les électrodes. Si les essais cliniques sont encourageants, les prototypes actuels ne permettent pas de rendre aux patients une vision « utile », c’est-à-dire suffisante pour retrouver autonomie de déplacement, reconnaissance des visages et capacité de lire au-delà de grosses lettres de 8 cm ou plus. Notre approche vise à la seule implantation d’une matrice photoréceptrice à l’intérieur du globe oculaire, sans qu’il y ait besoin d’un passage de câble à travers la paroi de l’oeil. Son originalité et son caractère innovant reposent sur l’utilisation d’un matériau semi-conducteur à base d’un oxyde simple, le TiO2, nanostructuré sous forme d’architecture pixellisée de nanotubes verticalement alignés, élaborée par voie électrochimique anodique, et  modifiée chimiquement par un dopage contrôlé qui permet au matériau de développer une photoréponse accrue à la lumière visible. La mise en oeuvre de techniques de photoluminescence en température et résolue en temps ainsi que de mesure d'impédance électrochimique et optoélectrochimique, apportera des informations précieuses dans l'optimisation de ce matériau. Au préalable, la capacité du TiO2 à stimuler des neurones en réponse à un flash lumineux, et la faisabilité de la pixellisation contrôlée de ces photocapteurs, ont été validées par les partenaires. La résolution de 1000 pixels nécessaire à la restauration d’une vision utile sera réalisée grâce à la mise en oeuvre d’un procédé de micro-usinage permettant une microgravure par ablation laser d’un revêtement continu en nanotubes de TiO2 alignés, suivie d’un remplissage inter-pixels isolant par minéralisation locale sous faisceau laser d’une encre minérale précurseur, procédés industrialisés à l’heure actuelle. La simplicité de mise en œuvre de ces procédés de micro-usinage, leur précision de découpe, leur asservissement permettant une automatisation et les faibles coûts qui leur sont associés, permettront d’atteindre rapidement la limite symbolique des 1000 pixels, tout en maintenant des coûts de production des implants sans commune mesure actuellement. L’efficacité des dispositifs de rétine artificielle sera d’abord validée par électrophysiologie in vitro sur cellules en culture puis sur rétines dystrophiques. Les tests fonctionnels des démonstrateurs seront ensuite réalisés chez des rats aveugles implantés en mode sous-rétinien, afin de démontrer un gain de sensibilité à la lumière. Ces résultats devraient conduire à l’élargissement du consortium, en incluant un Centre d’Investigation Clinique afin de définir les bases d’un essai clinique de phase I de ce nouveau type de rétine artificielle.
Résultats : Projet démarré au 01/01/2013
Perspectives : Premiers résultats de synthèse et caractérisation des tapis de nanotubes de TiO2 activables sous lumière visible, photoréponse à différents types de stimulation lumineuse, micro-patterning/microgravure des substrats. Les premiers résultats de biocompatibilité des matériaux en mode sous-cutané sont attendus.
Publications et brevets : Projet démarré au 01/01/2013.
Le brevet «Rétine artificielle comprenant une couche en matériau photovoltaïque comprenant un semiconducteur à base de titane« applied prior to the projet (M.V Shankar, P Bernhard, V Keller, N Keller, et al.
CNRS/Univ Strasbourg FR20090058744, 2009; FR2010052633, 2010 PCT) suit actuellement la procédure habituelle à l'internationale (phases nationales et OEB).