Bioélectrodes flexibles implantables pour la production d'énergie électrique in vivo - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2022

Implantable flexible bioelectrodes for the production of electrical energy in vivo

Bioélectrodes flexibles implantables pour la production d'énergie électrique in vivo

Anastasiia Berezovska
  • Function : Author
  • PersonId : 1322010
  • IdRef : 269338713

Abstract

Enzymatic biofuel cells are a subcategory of fuel cells that convert chemical energy into electrical energy via bioelectrochemical reactions. They have attracted considerable attention during the last decade owing to their potential application in the biomedical field for powering portable electronics. These biofuels exploit redox enzymes for the targeted specific oxidation of saccharides (for example, glucose) at the anode and the reduction of oxygen or H2O2 at the cathode. The main motivation for the development of biofuel cells lies in their implantation in the human body as a theoretically unlimited autonomous source of energy. In this context, the thesis project focuses on the realization of a new generation of flexible implanted biofuel cells that will include technological innovations subject to recent patent filings and new developments in nanostructured electrodes.This thesis is dedicated, therefore, to the development and optimization of different bioelectrodes, resulting in a biofuel cell. The first type of electrodes presented in this work is the compressed bioelectrodes. This approach id denoted as the “one-pot” method. The electrodes are based on a nanostructured matrix of CNTs mixed and compressed with redox species and/or biocatalyst. The resulting electrodes have been used to construct a complete biofuel cell. A study on their chemical sterilization by chlorhexidine is also addressed in this work as well as their in vivo implantation in living rats. The second model of bioelectrodes focuses on the optimization of the first one, modifying the fabrication methodology. In this case, a nanostructured matrix of compressed CNTs is obtained in a first step. They are then functionalized sequentially by the adsorption of the redox mediators and the biocatalysts. This new approach allows the realization of mediator/enzyme compositions that were not feasible by the “one-pot” method (e.g., ABTS/BOx, bis-pyrene ABTS/BOx or PLQ/FAD GDH, etc.). The final configuration of the bioelectrodes presented is a hollow “cavity” type. Bioelectrodes made from an assembly of flexible buckypapers have a cavity in the central layer, thus trapping allowing to entrap the enzymes in powder form. Finally, this approach has proven to conceive biofuel cells able to provide up to 0.8 mW in power at a maximum current of 3.21 mA with an OCV of 0.62 V. This biofuel cell was implanted in the rat for 2.5 months, providing a power output of 30 µW, an OCV of 0.48V, and a maximum current of 0.170 mA.
Les biopiles enzymatiques sont une sous-catégorie de piles à combustible qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique par des réactions bioélectrochimiques, ont attiré une attention, considérable au cours de la dernière décennie en raison de leurs applications potentielles dans le domaine biomédical et de l'électronique portable. Ces biopiles utilisent principalement des enzymes d'oxydo-réduction pour l'oxydation ciblée spécifique de saccharides (tels que le glucose) à l'anode et la réduction du dioxygène ou de H2O2 à la cathode. Une motivation pour le développement des biopiles réside dans leur implantation dans le corps humain comme une source d'énergie autonome théoriquement illimitée. Dans ce contexte, le projet de thèse est focalisé sur la réalisation d'une nouvelle génération de biopiles à combustibles flexibles implantables combinant des avancées technologiques faisant l'objet de dépôt récent de brevets et de nouveaux développements dans les matériaux d’électrodes nanostructurées.Ce mémoire est consacré, donc, au développement et à l’optimisation de différentes bioélectrodes, qui entrent en jeu dans la conception d’une biopile. Un premier type d’électrodes présenté dans ce travail concerne les bioélectrodes à compression qui sont basées sur la compression de nanotubes de carbone (CNTs) englobant des espèces redox et/ou des biocatalyseurs. Les électrodes qui en résultent ont permis de concevoir une biopiles. Une étude sur leur stérilisation chimique par la chlorhexidine est aussi abordée dans ce travail, ainsi que leur implantation in vivo. Un deuxième modèle de bioélectrodes est une déclinaison ingénieuse de la première stratégie qui ouvre de plus larges perspectives en termes de possibilités de composition et de stabilité : les matrices nanostructurée en CNTs compressés sont modifiées par adsorption successive de médiateurs et/ou biocatalyseurs. Cette nouvelle approche permet de réaliser des compositions médiateur/enzyme non réalisables par la première approche (ex : ABTS/BOx, bis-pyrène ABTS/BOx ou PLQ/FAD GDH, etc.). La dernière configuration des bioélectrodes présentée et le cœur de ce travail consiste en la création d’électrodes comportant une micro-cavité. Les bioélectrodes réalisées à partir d’un assemblage de buckypapers flexibles comportent une cavité dans la couche centrale, piégeant ainsi les enzymes sous forme de poudre. Cet aspect permet d’avoir finalement une biopile capable de fournir jusqu’à 0,8 mW en puissance avec un courant maximal de 3,21 mA une tension maximum de 0,62 V. Ce type de biopile a été implantée chez le rat sur une durée de 2,5 mois. Après son extraction du rat, cette biopile donne à la sortie 30 µW en puissance, une tension maximum de 0,48V et un courant maximum de 0,170 mA.
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Dates and versions

tel-04332684 , version 1 (09-12-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04332684 , version 1

Cite

Anastasiia Berezovska. Bioélectrodes flexibles implantables pour la production d'énergie électrique in vivo. Chimie théorique et/ou physique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALV090⟩. ⟨tel-04332684⟩
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