Low molecular weight hydrogels : une stratégie de revêtement de biopiles enzymatiques pour augmenter la fonctionnalité et la biocompatibilité

Low molecular weight hydrogels as a strategy to coat enzymatic biofuel cells to enhance functionality and biocompatibility

• Auteur / Autrice : Kotagudda Ranganath Sindhu
• Direction : Claudine Boiziau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 19/04/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : Catherine Le Visage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claudine Boiziau, Marie-Christine Durrieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nihal Engin Vrana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocolloïdes

Biopiles enzymatiques

Mots clés libres

Hydrogels

Biopiles enzymatiques

Fonctionnalité

Biocompatibilité

Réaction à corps étranger

Hydrogels

Biofuel cells

Functionality

Biocompatability

Foreign body reaction

Résumé

Les biopiles enzymatiques miniatures représentent un potentiel important pour la future génération de dispositifs médicaux implantables, utilisés pour le diagnostic, le pronostic et le traitement. Ces derniers fonctionnent actuellement avec des sources d'énergie externes. Ces biopiles utilisant les molécules présentes dans les fluides biologiques sont des dispositifs médicaux prometteurs. Le glucose, qui est abondamment disponible dans le corps, est à l’étude comme biocarburant permettant de produire de l’énergie. Les enzymes utilisées pour produire l'énergie à partir des produits biochimiques sont immobilisées sur des électrodes en or par des médiateurs redox. Cependant, la faible puissance actuellement disponible et la sensibilité des enzymes à l'environnement limitent leur application in vivo. Malgré des recherches intensives, de nombreux problèmes restent à résoudre, notamment l'amélioration de la puissance, de la stabilité et de la biocompatibilité des biopiles.La réaction à corps étranger et l'isolement du dispositif médical par la formation d'une capsule fibreuse peuvent d'une part dénaturer les enzymes et, d'autre part, entraver la diffusion des analytes et de l'oxygène. Le travail décrit dans cette thèse vise à protéger les biopiles fonctionnant à base de glucose. Afin de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, les hydrogels, actuellement développés pour diverses applications telles que l'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire et les dispositifs médicaux, offrent des propriétés prometteuses en tant que matériaux de revêtement.La première partie de la thèse est centrée sur l'évaluation de différents hydrogels injectables de faible poids moléculaire, en analysant à la fois la gélification in vitro et in vivo, la cinétique de dégradation, la réaction à corps étranger et l'angiogenèse. Les hydrogels présentent une dégradation lente et une intégration tissulaire optimale. Une angiogenèse accrue a été observée en raison de la libération d'une molécule pro-angiogénique pendant la dégradation de l'hydrogel.Dans la seconde partie de la thèse, l'un des hydrogels étudiés a été utilisé pour recouvrir l'électrode en or : le choix de l'enzyme a été basé sur des études de stabilité in vitro. En parallèle, le processus de revêtement a été optimisé, à la fois pour son uniformité et son épaisseur. Même si un revêtement plus épais présente l’avantage de protéger l’électrode contre la réaction à corps étranger, il est nécessaire de limiter l’épaisseur afin de maintenir une diffusion efficace des analytes et de l’oxygène.Les expériences en cours décrites dans la dernière partie de la thèse sont axées sur l'optimisation de l'implantation chez le rat et la mesure de l'activité des biopiles. De plus, les électrodes ont été connectées à une antenne pour établir une communication sans fil ; en effet, cela permettrait une mesure non invasive de l'activité enzymatique.En conclusion, ces travaux ont permis d'identifier un hydrogel pouvant être utilisé pour revêtir les électrodes de biopiles. Le sous-produit libéré lors de la biodégradation favorise l'angiogenèse au voisinage du matériau. Grâce à ce revêtement, on peut donc s'attendre à un échange accru d'analytes et d'oxygène, préalable indispensable à l'activité enzymatique.

Miniature enzymatic biofuel cells hold great potential to power the future generation of implantable medical devices, which are currently working on external power sources used for diagnosis, prognosis and treatment. Enzymatic biofuel cells appear to be promising in harvesting the energy from biochemicals present in physiological body fluids. Glucose, which is abundantly available in the body, is being explored as a biofuel to harvest energy. The enzymes employed to harvest the energy from the biochemicals are electrically wired on gold electrodes by redox mediators. However, the limitation of insufficient power, and the sensitivity of the enzymes towards host environment restrict their in vivo application. Despite several attempts, numerous challenges remain to be addressed such as improved current density, increased stability, and biocompatibility of enzymatic biofuel cells.Foreign body reaction and isolation of the medical device by formation of a fibrous capsule may firstly denature the enzymes, and secondly hinder the diffusion of analytes and oxygen. The work described in this thesis aims at protecting glucose based biofuel cells. As a strategy for combatting the bottlenecks mentioned above, hydrogels, currently developed for various applications such as drug delivery, tissue engineering, and medical device, offer promising properties as coating materials.The first part of the thesis is focused on evaluating different low molecular weight injectable hydrogels by analysing both in vitro and in vivo gel formation, degradation kinetics, foreign body reaction and angiogenesis. The hydrogels exhibit slow degradation, and optimal tissue integration. Enhanced angiogenesis was observed due to a pro-angiogenic molecule released during hydrogel degradation.In the second part of the thesis, one of the studied hydrogels was used to coat the gold electrode functionalised with enzyme: the selection of the enzyme was based on in vitro stability studies. In parallel, the process of coating was optimised, both for uniformity and thickness. Although a thicker coating should protect the electrode against foreign body reaction, it was necessary to limit the thickness in order to maintain an efficient analyte and oxygen diffusion.Ongoing experiments described in the last part of the thesis are focused on the optimisation of implantation in rat and measurement of the biofuel cell activity. In addition, the electrodes were connected to an antenna for wireless communication; indeed, such a device would allow for a non-invasive measurement of enzyme activity.To conclude, this work allowed for the identification of a hydrogel that can be used to coat the electrodes of biofuel cells. The byproduct released during the biodegradation favours angiogenesis in the vicinity of the material. Thanks to this coating, we can therefore expect an enhanced exchange of analytes and oxygen, which is a prerequisite for enzyme activity.