Soutenance de thèse de J.P. ALCARAZ le 19/10/2016

Jean-Pierre Alcaraz, de l’équipe SyNaBi, a soutenu sa thèse le 19 octobre 2016 intitulée :

« Conception guidée par la physiologie de biopiles bioinspirées implantables »

Jury :

  • Didier LETOURNEUR - Rapporteur
  • Emmanuel GUEDON - Rapporteur
  • Frédéric BARRIERE - Examinateur
  • Benoit POLACK - Examinateur
  • Donald MARTIN (EDISCE) - Directeur de thèse
  • Philippe CINQUIN - Co Directeur de thèse

Résumé :
On peut imaginer dans un futur proche que des micro-robots implantés pourront suppléer la défaillance de certaines fonctions essentielles. C’est déjà le cas avec les stimulateurs cardiaques dont les piles au lithium sont bien adaptées à leur fonctionnement pendant des années de vie du patient. Cependant, pour des systèmes plus gourmands en énergie, il convient d’améliorer la longévité et la puissance volumique de ces piles. La stratégie que nous avons choisie est basée sur une approche biomimétique et deux voies ont été suivies pour créer une biopile bioinspirée : les biopiles enzymatiques génèrent un courant électrique à partir de l’oxydation de molécules organiques et la réduction d’oxygène en eau. Les biopiles à base de membranes biomimétiques génèrent un potentiel électrique à partir du transfert d’ions au travers une membrane biomimétique. Les biopiles enzymatiques, qui utilisent par exemple le glucose et l’oxygène, sont théoriquement capables de fonctionner indéfiniment car ces substrats sont toujours présents dans l’organisme. Cependant, la biocompatibilité et la performance à long terme de ces biopiles restent des verrous pour leur mise en œuvre chez l’homme. Cette thèse décrit la conception et l’implantation de nouvelles biopiles enzymatiques chez différents modèles animaux. Leur implantation constitue un véritable défi technologique et nous amenons des solutions guidées par la physiologie en abordant les problèmes de biocompatibilité mais aussi de techniques de mesure électrique. Nous sommes maintenant capables d’implanter ces biopiles chez de gros animaux en analysant en temps réel les performances de la biopile implantée. Cette thèse développe également le concept de biopile à base de membranes biomimétiques. Il s’agit d’une biopile mettant en œuvre des protéines de transport (par exemple des canaux ioniques) insérées dans des membranes biomimétiques. Nous avons démontré la faisabilité de la transformation d’un gradient de NaCl en gradient de protons. Nous avons aussi réussi à générer une différence de potentiel de 20 millivolts avec une membrane plane de 38 mm². Cette membrane biomimétique, contenant l’échangeur sodium/proton NhaA, est stable pendant plus de 15 jours.

Mots clés : matériau implantable, biopile, protéines membranaires, membrnae biomimétique, polyélectrolytes, énergie.

Abstract :

I believe in the near future that micro-robots or artificial implanted organs can replace failing essential organs. Lithium batteries of cardiac pacemakers are well adapted to operate for years when implanted in sick patients. However, for next generation energy-intensive implanted devices, the longevity and the volumic power of these batteries have to be improved.
I chose two biomimetic approaches to create bioinspired biofuel cells. The first was an enzymatic biofuel cell that generated electrical current from the oxidation and the reduction of organic or inorganic compounds. The second was a biomimetic biofuel cell that generated an electrical potential from ion transfer across a biomimetic membrane.
The enzymatic biofuel cell, utilizing glucose and oxygen, is theorically able to work almost indefinitely as its substrates are always present in the body fluids. However, the biocompatibility and the long-term performance of this biofuel cell for a human implantation remains a real bottleneck. This thesis describes the design and the implantation of new enzymatic biofuel cells in different animal models. The implantation of such devices is challenging and a novel creative solution described in this thesis is to take a physiological point of view to address biocompatibility problems and electrical measurement techniques. We are now capable to implant these biofuel cells in large animals by analyzing the performance of the biofuel cells in real time.
This thesis initiates the biomimetic biofuel cell concept. It consists of a membrane transport protein (i.e ion channels) incorporated in a biomimetic membrane, which transforms a gradient of salt into a proton gradient. We also generate a 20 mV voltage with a 38 mm² flat membrane. This biomimetic membrane containing the NhaA sodium/ proton exchanger is stable for more than two weeks.

Keywords : implantable material, biofuel cell, membrane proteins, biomimétic membrane, polyelectrolyte, energy.


Laboratoire TIMC-IMAG, Domaine de la Merci, 38706 La Tronche Cedex

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