Brevet FR3022694A1 — publié le 20151225

B12832 1 RÉACTEUR IMPLANTABLE BIOCOMPATIBLE Domaine La présente invention concerne un réacteur implantable in vivo, au niveau duquel est susceptible de se produire une réaction entre des éléments confinés dans ce réacteur et des composés présents dans l'organisme hôte. Cette réaction peut par exemple conduire à une déformation du réacteur, à la génération d'un potentiel électrique, ou à la transformation chimique du composé interagissant avec le réacteur. Un réacteur conduisant à la génération d'un potentiel 10 électrique pourra constituer une électrode d'une biopile ou d'un biocapteur, de type à sucre-oxygène, par exemple à glucose-oxygène. Un réacteur conduisant à la transformation chimique d'un composé interagissant avec le réacteur constituera par 15 exemple un destructeur de glucose (glucose killer) en transformant par exemple du glucose en un composé qui sera éliminé par l'organisme. Bien que l'invention et l'état de la technique soient décrits ici principalement dans le cas de bioélectrodes d'une 20 biopile, on comprendra que l'invention s'applique de façon générale à tout réacteur implantable in vivo. 3022694 B12832 2 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). Dans ces biopiles connues, 5 chaque électrode, anode et cathode, 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 les substrats et les produits de réaction ayant lieu au niveau des électrodes (le 10 glucose et l'acide gluconique dans l'exemple donné ci-après), 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 choisie dans le groupe comprenant 15 glucose-oxydase si le sucre est du glucose et lactose-oxydase si le sucre est du lactose. Le médiateur redox a un potentiel redox bas susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme d'anode et est par exemple choisi dans le groupe comprenant : ubiquinone (UQ) et ferrocène. 20 La cathode comprend également dans une solution une enzyme et de préférence un médiateur redox. L'enzyme est apte à catalyser la réduction de l'oxygène et est par exemple choisie dans le groupe comprenant : polyphénol oxydase (PPO), laccase et bilirubine oxydase. Le médiateur redox a un potentiel redox haut 25 susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme de cathode et est par exemple choisi dans le groupe comprenant : hydroquinone (QH2) et 2,2'-azinobis-(3-éthylbenzo-thiazoline-6-sulfonate) (ABTS). Il se produit alors au niveau de l'anode et de la 30 cathode des réactions du type suivant : Cathode : QH2 + 1/2 02 PPO >Q + H20 Anode : glucose + UQ CKYK>gluconolactone + UQH2 Cathode : Q + 2H+ + 2e--QH2 Anode : UQH2-UQ + 2H+ + 2e- 3022694 B12832 3 ces réactions étant données dans le cas particulier où le sucre est du glucose, l'enzyme d'anode est de la glucose-oxydase (GOX), le médiateur redox d'anode est de l'ubiquinone (UQ), l'enzyme de cathode est de la polyphénol oxydase (PPO), et le 5 médiateur redox de cathode est de la quinhydrone (QH2). 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, notamment en ce qui concerne la biopile décrite dans la demande de brevet PCT/FR2009/050639, 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 un être vivant. En effet, on cherche à implanter de telles biopiles dans des êtres vivants, notamment pour alimenter divers actionneurs, tels que des stimulateurs cardiaques, des sphincters artificiels, ou même des coeurs artificiels. On a proposé des biopiles à électrodes solides. Toutefois, des biopiles utilisant de telles électrodes, notamment quand elles sont implantées dans un être vivant, ont présenté une faible durée de vie. Des biopiles à glucose oxygène implantables in vivo 25 sont décrites notamment dans les demandes de brevets européens 2 375 481 et 2 606 527 de la demanderesse (B10272 et B10419). 30 Dans ces demandes de brevets, il est proposé de fabriquer des pastilles d'anode et de cathode d'une biopile à partir d'une compression d'un conducteur tel que du graphite ou des nanotubes de carbone et d'une enzyme. La cathode et l'anode, ainsi que de préférence l'ensemble de l'anode et de la cathode, 35 sont entourés d'une enceinte semi-perméable, par exemple du type 3022694 B12832 4 utilisé en dialyse, pour laisser passer le glucose et l'oxygène et ne pas laisser passer les enzymes. Le matériau conducteur à partir duquel sont effectuées la compression d'anode et la compression de cathode est indiqué comme étant du graphite, un 5 polymère conducteur ou des nanotubes de carbone. La figure 1 ci-jointe reproduit la figure 2 de ce brevet antérieur. On y voit une pastille d'anode A et une pastille de cathode K solidaires respectivement de conducteurs 1 et 3. L'anode est entourée d'une membrane semi-perméable 11, la 10 cathode d'une membrane semi-perméable 12 et l'ensemble est entouré d'une membrane semi-perméable 13. Des résultats expérimentaux in vivo satisfaisants ont été obtenus avec les électrodes de biopile décrites dans ce brevet. 15 Il est toutefois souhaitable de simplifier le procédé d'enrobage de la biopile, de réduire la taille de l'implant final et d'améliorer au maximum la biocompatibilité de cette pile. Il en est de même pour les bioréacteurs tels que définis ci-dessus. 20 Résumé Ainsi, on prévoit ici un bioréacteur obtenu par compression d'un mélange comprenant une enzyme et un conducteur, les faces inactives de ce bioréacteur étant revêtues de parylène imperméable, chaque face active de ce bioréacteur étant recouverte d'une membrane nanoporeuse de parylène collée à la périphérie de celle-ci. Selon un mode de réalisation, le bioréacteur constitue une bioélectrode en forme de pastille comprenant une enzyme et un élément conducteur, dont une face avant constitue une face active, dans laquelle un ruban conducteur est collé par l'intermédiaire d'une colle conductrice à la face arrière de la pastille. Selon un mode de réalisation, la membrane comprend des pores d'un diamètre moyen de l'ordre de 1 à 10 nanomètres. 3022694 B12832 5 Selon un mode de réalisation, la membrane a une épaisseur de l'ordre de 20 à 50 nm. Selon un mode de réalisation, le parylène imperméable de revêtement a une épaisseur de 30 à 60 nm. 5 On prévoit aussi un procédé de fabrication d'un bioréacteur comprenant les étapes suivantes : masquer une face active du bioréacteur, procéder à un dépôt par voie chimique en phase vapeur de parylène sur les autres parties du bioréacteur, 10 enlever le masque, et apposer une membrane nanoporeuse en parylène sur la face active du bioréacteur et la coller. On prévoit aussi un procédé de fabrication d'un bioréacteur comprenant les étapes suivantes : 15 apposer une membrane nanoporeuse sur une face active d'un bioréacteur, protéger cette membrane par un masque, et procéder à un dépôt CVD de parylène non poreux sur toutes les autres faces du bioréacteur, ce dépôt CVD adhérant 20 également sur une partie périphérique en débordement de la membrane nanoporeuse. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes 25 de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 correspond à la figure 2 du brevet européen EP 2 375 481 ; les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en 30 coupe et une vue de dessus d'une électrode de biopile ; et les figures 3 et 4 sont des vues en coupe illustrant deux étapes d'un mode de réalisation d'une électrode de biopile. Description détaillée Comme l'illustrent les figures 2A et 2B, une bioélec35 trode, telle que l'électrode A ou K de la figure 1 se présente 3022694 B12832 6 sous forme d'une pastille 20 ayant par exemple une forme circulaire en vue de dessus, un diamètre de 0,5 à 1 cm et une épaisseur de 0,5 à 2 mm. La face avant de cette électrode constitue sa face active. Sur la face arrière de la pastille 20 5 est fixé un ruban conducteur 22, par exemple par une colle conductrice, par exemple une pâte de carbone 24. La figure 3 représente une première étape de réalisa- tion d'un mode de réalisation d'une bioélectrode ou autre bioréacteur. 10 Tout d'abord, la bioélectrode des figures 2A-2B est masquée, par exemple en posant sur sa face active un disque 30 d'un polymère tel que du polycarbonate, et on procède à un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de parylène pour former une couche de parylène conforme 32 sur toutes les surfaces non 15 protégées par le masque 30. La couche de parylène 32, ayant par exemple une épaisseur de 20 à 60 nm, recouvre notamment la surface du ruban conducteur 22. On pourra avoir masqué au préalable une partie de ce ruban conducteur pour définir des zones de contact ou bien on percera ensuite la couche de 20 parylène au niveau où on veut disposer des contacts, les contacts étant effectués par exemple par des griffes. Par ailleurs, on fabrique une feuille mince ou membrane de parylène d'une épaisseur de 20 à 50 nm par tout procédé connu et on rend cette membrane de parylène nanoporeuse 25 par exemple par un bombardement d'ions lourds, par exemple des ions de calcium ou de plomb sous une énergie de 5 à 30 MeV par unité de surface et un flux variant de 106 à 107 ions par cm2. Les ions lourds proviennent par exemple d'un accélérateur de particules tel que l'accélérateur GANIL de Caen. Après ce 30 bombardement, la membrane est rendue poreuse par exemple par action d'un plasma de N20 libérant des atomes d'oxygène actif. La durée de l'exposition est choisie en fonction de la porosité que l'on recherche, les pores ayant par exemple une dimension moyenne de 1 à 10 nanomètres dans le cas d'une pile au glucose. 3022694 B12832 7 Ensuite, comme l'illustre la figure 4, une portion 40 de membrane nanoporeuse est posée sur la surface active de l'électrode et recouvre la partie de parylène non poreuse 32 à laquelle elle est fixée pour sceller le dispositif et le rendre 5 complètement biocompatible. La fixation peut être faite par une colle biocompatible par exemple une colle silicone ou une colle de type cyanoacrylate. Le procédé décrit ci-dessus ne constitue qu'un exemple de mode de réalisation possible. 10 On pourra également procéder dans l'ordre inverse, à savoir poser d'abord une membrane nanoporeuse de parylène sur la surface active de la biopile, masquer cette membrane par exemple par un disque de polycarbonate ou autre polymère, puis procéder au dépôt CVD conforme d'une couche non poreuse de parylène. 15 Cette dernière étape rend l'ensemble du dispositif biocompatible et électroniquement isolé en évitant le collage décrit précédemment. Enfin, on retirera le masque posé sur le parylène non poreux pour obtenir un dispositif actif. Enfin, il est également possible de déposer une couche 20 conforme de parylène par CVD sur les électrodes puis de rendre la membrane de parylène poreuse par bombardement et gravure chimique, ce qui simplifie encore le procédé de fabrication. Les procédés décrits ci-dessus permettent d'obtenir de façon simple un objet implantable parfaitement biocompatible 25 avec un excellent rapport volume d'électrode/volume total. Des expériences effectuées par les inventeurs, dans lesquelles l'ensemble de la biopile est protégé par une membrane semi-perméable réalisée en acétate de cellulose ont un volume final multiplié par 3. Une biopile complètement entourée de parylène 30 dont une partie est poreuse au-dessus de la surface active aura la même taille que les électrodes la constituant tout en lui conférant une solidité mécanique et une parfaite biocompatibilité. En effet, le film de parylène décrit ici permet, par ses propriétés mécaniques notamment sa flexibilité et son taux de gonflement adéquat, de conférer une stabilité mécanique à 3022694 B12832 8 l'électrode en épousant la surface de la pastille après gonflement de celle-ci dans le liquide. Il confère une interface biocompatible au contact des tissus après implantation de la biopile. Il constitue une barrière efficace contre un éventuel 5 relargage des constituants de l'électrode d'une part, et contre les molécules biologiques venant du liquide extra-cellulaire. Il est par exemple possible de limiter l'adhésion des protéines et des cellules sur du parylène C par un traitement plasma. Bien que l'invention et l'état de la technique soient 10 décrits ici principalement dans le cas d'une bioélectrode, on comprendra que l'invention s'applique de façon générale à tout bioréacteur implantable in vivo, tel que défini en tête de la présente description. Dans certains cas, les éléments constitutifs du bioréacteur ne contiendront pas d'élément conducteur. 15 L'invention est susceptible de nombreuses variantes. Notamment, divers types d'éléments de bioréacteurs en forme de pastille, ou d'une autre forme, peuvent être réalisés. Dans le cas d'une bioélectrode, le conducteur d'électrode n'est pas nécessairement fixé par collage à la face arrière d'une 20 pastille, mais peut par exemple être inséré dans celle-ci. REVENDICATIONS1. Bioréacteur obtenu par compression d'un mélange comprenant une enzyme et un conducteur, les faces inactives de ce bioréacteur étant revêtues de parylène imperméable (32), chaque face active de ce bioréacteur étant recouverte d'une membrane nanoporeuse de parylène (40) collée à la périphérie de celle-ci. 2. Bioréacteur selon la revendication 1, constituant une bioélectrode en forme de pastille (20) comprenant une enzyme et un élément conducteur, dont une face avant constitue une face active, dans laquelle un ruban conducteur (22) est collé par l'intermédiaire d'une colle conductrice (24) à la face arrière de la pastille. 3. Bioréacteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la membrane (40) comprend des pores d'un diamètre moyen 15 de l'ordre de 1 à 10 nanomètres. 4. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la membrane (40) a une épaisseur de l'ordre de 20 à 50 nm. 5. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendica20 tions 1 à 4, dans lequel le parylène imperméable de revêtement (32) a une épaisseur de 30 à 60 nm. 6. Procédé de fabrication d'un bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant les étapes suivantes : 25 masquer une face active du bioréacteur, procéder à un dépôt par voie chimique en phase vapeur de parylène sur les autres parties du bioréacteur, enlever le masque, et apposer une membrane nanoporeuse en parylène sur la 30 face active du bioréacteur et la coller. 7. Procédé de fabrication d'une membrane poreuse pour un bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant les étapes suivantes : 3022694 B12832 10 apposer une membrane nanoporeuse sur une face active d'un bioréacteur, protéger cette membrane par un masque, et procéder à un dépôt CVD de parylène non poreux sur 5 toutes les autres faces du bioréacteur, ce dépôt CVD adhérant également sur une partie périphérique en débordement de la membrane nanoporeuse.