Brevet FR2963989A1 — publié le 20120224

B10419 1 BIOPILE À TRANSFERT DIRECT Domaine de l'invention La présente invention concerne des bioélectrodes adaptées à des biopiles (en anglais biofuel cells) ou des biocapteurs, par exemple de type à sucre-oxygène, par exemple à glucose-oxygène. On décrira ci-après essentiellement des biopiles. On comprendra qu'un biocapteur a la même structure qu'une biopile mais est utilisé pour détecter la teneur de l'un des composants de la réaction enzymatique, par exemple le glucose. Exposé de l'art antérieur Divers types de biopiles à glucose-oxygène sont décrits dans l'art antérieur. Par exemple, dans la demande de brevet PCT/FR2009/050639 (B8606) chaque électrode, anode et cathode, de la biopile correspond à une enceinte contenant un milieu liquide dans lequel plonge un fil d'électrode. Les enceintes d'anode et de cathode sont délimitées par des membranes pouvant être traversées par l'hydrogène et l'oxygène mais évitant la circulation d'autres éléments plus lourds. L'anode comprend dans une solution une enzyme et un médiateur redox. L'enzyme est apte à catalyser l'oxydation du sucre et est par exemple de la glucose-oxydase si le sucre est B10419 2 du glucose. Le médiateur redox a un potentiel redox bas susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme d'anode et est par exemple de l'ubiquinone (UQ). La cathode comprend également dans une solution une enzyme et un médiateur redox. L'enzyme est apte à catalyser la réduction de l'oxygène et est par exemple de la polyphénol oxydase (PPO). Le médiateur redox a un potentiel redox haut susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme de cathode et est par exemple de l'hydroquinone (QHD). Il se produit alors au niveau de l'anode et de la cathode des réactions du type suivant : Cathode : QH2 + 1/2 02 PPO >Q + H20 Anode : glucose + UQ GOX >gluconolactone + UQH2 Cathode : Q + 2H+ + 2e- -QH2 15 Anode : UQH2-UQ + 2H+ + 2e- On obtient alors un potentiel d'anode de 20 mV et un potentiel de cathode de 250 mV, ce qui conduit à une différence de potentiel à courant nul de la biopile de 230 mV. De telles biopiles fonctionnent convenablement mais 20 nécessitent que des conducteurs d'anode et de cathode trempent dans des enceintes contenant des liquides appropriés, ce qui constitue un inconvénient pratique dans de nombreux cas et rend notamment très difficile sinon impossible d'implanter de telles biopiles dans des êtres vivants, notamment pour alimenter divers 25 actionneurs, tels que des stimulateurs cardiaques, des sphincters artificiels, ou même des coeurs artificiels. On a proposé des biopiles à électrodes solides. La demande de brevet français non publiée 10/52657 du 8 avril 2010 décrit une telle biopile. Comme l'illustre la figure 1, cette 30 biopile comprend un corps d'anode A et un corps de cathode K. Le corps d'anode est constitué d'un corps solide comprenant un matériau conducteur associé à une enzyme et à un médiateur redox d'anode appropriés. Le corps d'anode est solidaire d'un fil d'anode 1. De même, la cathode est constituée d'un corps solide B10419 3 formé d'un conducteur associé à une enzyme et à un médiateur de cathode appropriés. Le corps de cathode est solidaire d'un fil de cathode 3. Les fils d'anode et de cathode, par exemple en platine, sont représentés comme pénétrant dans les corps d'anode et de cathode ; ils peuvent simplement être collés à ces corps. Le corps d'anode et le corps de cathode sont par exemple formés par compression de graphite pulvérulent mélangé à l'enzyme et au médiateur redox appropriés. Des médiateurs chimiques redox permettent d'assurer une connexion électrique entre l'enzyme et l'électrode par sauts d'électrons entre les médiateurs redox positionnés entre la surface de l'électrode et le centre prosthétique ou centre actif de l'enzyme. Outre une complexification de la construction des bioélectrodes (les médiateurs redox étant généralement solubles en milieu aqueux, il est nécessaire de les fixer sur la surface de l'électrode), un inconvénient principal de l'utilisation de ces médiateurs est le fait qu'ils diminuent fortement le poten- tiel fourni par la biopile. Par définition, ces médiateurs doivent avoir un potentiel supérieur à celui du centre redox de l'enzyme catalysant l'oxydation du glucose afin de pouvoir réagir avec lui, en particulier avec sa forme réduite afin de l'oxyder. De même, les médiateurs redox dédiés à la connexion de l'enzyme réduisant l'oxygène doivent avoir un potentiel infé- rieur à celui du centre actif de cette enzyme afin de pouvoir réagir avec sa forme oxydée. Il en résulte que la différence de potentiel entre les sites actifs de l'enzyme catalysant l'oxydation du glucose et celle catalysant la réduction de l'oxygène est forcément supérieure à la différence de potentiel entre les médiateurs redox impliqués dans ces deux réactions. Par exemple, théoriquement, une biopile à glucose/oxygène devrait fournir un potentiel de 1 V, or l'utilisation de média- teurs redox conduit à des biopiles présentant des potentiels nettement inférieurs. Il faut noter que le potentiel de la pile B10419 4 est également limité par des problèmes de limitations cinétiques et de chutes ohmiques. On a donc tenté de réaliser une connexion électrique directe (sans utiliser de médiateurs) des enzymes aux élec- trodes. Toutefois, le transfert d'électrons reste très faible et requiert parfois la modification de l'enzyme. De plus le rendement de ces piles reste faible. Il existe donc un besoin pour des biopiles implantables à rendement élevé. Résumé Ainsi, selon un mode de réalisation de la présente invention, on cherche à réaliser des bioélectrodes simples à manipuler pour des applications dans le domaine des biopiles et des biocapteurs, et en particulier implantables dans un être vivant, animal ou humain. Plus particulièrement, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une électrode de biopile ou de biocapteur destinée à être immergée dans un milieu liquide contenant une cible et un oxydant, respectivement un réducteur, dans laquelle l'anode comprend une enzyme apte à catalyser l'oxydation d'une cible, et la cathode comprend une enzyme apte à catalyser la réduction de l'oxydant, et dans laquelle chacune des électrodes d'anode et de cathode est constituée d'un agglomérat solide de nanotubes de carbone mélangés à l'enzyme, et est solidaire d'un fil d'électrode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode est entourée d'une membrane semi-perméable laissant passer l'oxydant et la cible et ne laissant pas passer l'enzyme. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la membrane est du type membrane de dialyse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la cible est du glucose. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une biopile ou d'un biocapteur, dans lequel l'anode et la cathode sont formées par B10419 compression d'un mélange en solution comprenant des nanotubes de carbone et une enzyme. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les nanotubes de carbone sont de type multi-feuillets. 5 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente très schématiquement une biopile à électrodes solides ; la figure 2 illustre les performances en courant et en puissance en fonction de la tension d'une biopile à glucose/oxygène constituée de bioélectrodes fabriquées selon la présente invention ; et les figures 3A et 3B illustrent respectivement la réponse électrochimique d'un biocapteur à des injections de glucose et la réponse en courant de ce biocapteur en fonction de la concentration de glucose. Description détaillée De façon générale, la présente invention concerne un nouveau type d'électrode solide contenant des enzymes électriquement connectées. L'invention prévoit la connexion électrique d'une grande densité d'enzymes par compression sous forme d'un bloc compact, par exemple un disque, d'un mélange de nanotubes de carbone, d'enzymes, d'eau nécessaire à la solubilisation des enzymes et de glycérol comme liant entre les différents constituants. Les nanotubes de carbone sont de type mono- ou multi-feuillets. L'utilisation de nanotubes de carbone très fins et très conducteurs permet d'immobiliser les enzymes et de les connecter, du fait que les nanotubes de carbone pénètrent les grosses molécules d'enzymes qui sont constituées d'une enveloppe protéinique protégeant leur centre redox actif. B10419 6 La conductivité des nanotubes et leur très faible diamètre (de l'ordre du nanomètre) permet une communication électrique avec l'enzyme qui conserve son activité catalytique. On peut exploiter les propriétés catalytiques de l'enzyme soit pour la détection bioélectrochimique, soit pour la conversion d'énergie et plus particulièrement la production d'énergie électrique. Ces bioélectrodes peuvent être utilisées dans les domaines des biopiles et des biocapteurs. L'anode est par exemple constituée d'une compression de nanotubes de carbone contenant une oxydase comme la glucose oxydase (GOX) apte à catalyser l'oxydation d'un carburant par exemple le sucre. La cathode est par exemple constituée d'une compression de nanotubes de carbone contenant une enzyme comme la laccase ou la bilirubine oxydase capable de catalyser la réduction d'un comburant comme l'oxygène. Il se produit alors au niveau de l'anode et de la cathode des réactions du type suivant : Cathode : 1/2 02 Laeeaae > 2e + H20 Anode : - 2e - 2H+ GOX > gluconolactone Ces réactions sont données dans le cas particulier où le carburant est du glucose, l'enzyme d'anode est de la glucose-oxydase (GOX), et le comburant est l'oxygène. L'enzyme de cathode est de la laccase. A titre d'exemple, une anode a été préparée en mélangeant 150 mg de nanotubes de carbone, 30 mg de glucose oxydase et 30 mg de catalase (le rôle de la catalase est d'éliminer H202 (un produit nocif) formé par la glucose oxydase en présence de 02 : H202 - 1%02 + H20), 0,6 ml d'eau et du glycérol (50 pl) dans un mortier de céramique. Une cathode a été préparée de façon similaire : 150 mg de nanotubes de carbone, 30 mg de laccase, 0,6 ml d'eau et 25 pl de glycérol ont été mélangés dans un mortier de céramique. Les pâtes résultantes constituées de nanotubes de carbone et d'enzymes ont été comprimées à une B10419 7 pression de 1500 kg/cm2 pour former des disques. La surface et l'épaisseur des disques étaient respectivement de 1,33 cm2 et de 0,1 cm. Un fil de platine a été fixé par une colle conductrice aux nanotubes de carbone compactés d'un côté de chaque disque et recouvert d'un film de silicium pour renforcer la solidité mécanique du biomatériau et le contact électrique. Pour fonctionner en pile, ces corps d'anode et de cathode sont disposés dans un fluide contenant de l'oxygène et un sucre, par exemple du glucose. Cette biopile a un potentiel à courant nul de 1 V, une puissance maximum de 1800 pW/cm2 et un courant maximum de 8 mA. Ces performances sont très supérieures à celles obtenues pour des biopiles connues à connexion directe d'enzymes (puissance maximum 5 pW/cm2 et potentiel maximum à courant nul 0,73 V). De plus, cette biopile donne la possibilité d'avoir une puissance importante à un potentiel assez élevé pour actionner des dispositifs : 800 pW à 0,8 V. La figure 2 représente des courbes de puissance et de courant électrique en fonction du potentiel d'une biopile telle 20 que décrite à titre d'exemple ci-dessus. La figure 3A illustre la réponse électrochimique d'un biocapteur constitué comme la pile décrite ci-dessus à la présence du glucose et la figure 3B représente le courant mesuré en fonction de la concentration du glucose. 25 Pour utiliser ce biocapteur, l'électrode est plongée dans un liquide aqueux et du glucose est ajouté. Un potentiel électrique par exemple 0,1 V est appliqué entre la bioélectrode et une électrode de référence toutes deux plongées dans le milieu liquide d'analyse et le courant électrique est mesuré 30 entre la bioélectrode et une électrode auxiliaire également immergée dans ce milieu. La détection et la quantification du glucose présent dans le liquide se fait par mesure du courant d'oxydation du glucose catalysée par l'enzyme. Les performances du biocapteur maintenu au potentiel 35 de 0,1 V sont de 17 mA/M/cm2 et de 685 pA/cm2 pour respective- B10419 8 ment la sensibilité et la densité de courant maximum. Outre un potentiel de travail permettant de s'affranchir des interférences anodiques, ce système présente la plus forte densité de courant maximum jusqu'alors décrite même pour des biocapteurs à glucose conventionnels. Toutefois, il s'est avéré que des biopiles utilisant de tels corps d'anode et de cathode présentaient une faible durée de vie. Les inventeurs ont attribué ce problème à ce que de l'enzyme fuit au cours du temps en dehors du corps d'anode et du corps de cathode. Pour résoudre ce problème, chacun des corps d'anode et de cathode peut être entouré d'une membrane micro-perforée telle que des membranes couramment utilisées en dialyse, qui laisse passer le glucose et l'oxygène et interdit le passage de l'enzyme et de nanotubes de carbone de plus fort poids moléculaire. L'ensemble des électrodes d'anode et de cathode peut être entouré d'une membrane semi-perméable laissant passer le glucose et l'oxygène et étanche aux enzymes et aux nanotubes de carbone, notamment pour permettre leur implantation dans un corps animal ou humain. On a donné ci-dessus l'exemple d'une biopile à glucose-oxygène. Toute biopile à sucre-oxygène pourra être modifiée selon la présente invention, et plus généralement toute biopile dont l'anode comprend une enzyme apte à catalyser l'oxydation d'une cible, et dont la cathode comprend une enzyme apte à catalyser la réduction de l'oxydant. Divers exemples de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers exemples de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. REVENDICATIONS1. Électrode de biopile ou de biocapteur destinée à être immergée dans un milieu liquide contenant une cible et un oxydant, respectivement un réducteur, dans laquelle l'anode comprend une enzyme apte à catalyser l'oxydation d'une cible, et la cathode comprend une enzyme apte à catalyser la réduction de l'oxydant, et dans laquelle chacune des électrodes d'anode et de cathode est constituée d'un agglomérat solide de nanotubes de carbone mélangés à l'enzyme, et est solidaire d'un fil d'électrode. 2. Électrode selon la revendication 1, entourée d'une membrane semi-perméable laissant passer l'oxydant et la cible et ne laissant pas passer l'enzyme. 3. Électrode selon la revendication 2, dans laquelle ladite membrane est du type membrane de dialyse. 4. Électrode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la cible est du glucose. 5. Procédé de fabrication d'une biopile ou d'un biocapteur, dans lequel l'anode et la cathode sont formées par compression d'un mélange en solution comprenant des nanotubes de carbone et une enzyme. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les nanotubes de carbone sont de type multi-feuillets.