Produire de l'énergie avec le sucre du sang
Résumé
- Des chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich ont mis au point une pile à combustible implantable qui produit de l'électricité à partir de l'excès de glucose dans le sang.
- Cette pile pourrait être utilisée à l'avenir pour faire fonctionner des appareils médicaux.
- Associée à des cellules bêta artificielles libérant de l'insuline, elle donne naissance à un système capable de réguler de manière autonome le taux de sucre dans le sang.
- Il s'agit d'un prototype dont on ne sait pas s'il sera commercialisé.
Dans le cas du diabète de type 1, l'organisme ne produit pas d'insuline. Cela signifie que les patients et patientes doivent se procurer cette hormone à l'extérieur pour réguler leur taux de sucre dans le sang. De nos jours, cela se fait principalement au moyen de pompes à insuline fixées directement sur le corps. Ces dispositifs, ainsi que d'autres applications médicales telles que les stimulateurs cardiaques, nécessitent une alimentation en énergie fiable qui, à l'heure actuelle, est principalement assurée par des piles à usage unique ou rechargeables.
Une équipe de recherche dirigée par Martin Fussenegger, du département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, a mis en pratique une idée apparemment futuriste. Les scientifiques ont mis au point une pile à combustible implantable qui utilise l'excès de sucre dans le sang (glucose) des tissus pour produire de l'énergie électrique. Les chercheurs et chercheuses ont combiné la pile à combustible avec des cellules bêta artificielles développées par leur groupe il y a plusieurs années. Celles-ci produisent de l'insuline sur simple pression d'un bouton et réduisent efficacement la glycémie, tout comme leurs modèles naturels dans le pancréas.
«De nombreuses personnes, en particulier dans les pays occidentaux industrialisés, consomment plus d'hydrates de carbone qu'elles n'en ont besoin dans la vie de tous les jours», explique Martin Fussenegger. Cela conduit à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires. «Cela nous a donné l'idée d'utiliser cet excès d'énergie métabolique pour produire de l'électricité afin d'alimenter des appareils biomédicaux», ajoute-t-il.
Pile à combustible sous forme de sachet de thé
Au cœur de la pile à combustible se trouve une anode (électrode) composée de nanoparticules de cuivre, que l'équipe de Martin Fussenegger a créée spécifiquement pour cette application. Elle se compose de nanoparticules à base de cuivre et sépare le glucose en acide gluconique et en proton pour produire de l'électricité, ce qui met en mouvement un circuit électrique.
Enveloppée dans un tissu non tissé et recouverte d'alginate, un produit à base d'algues approuvé pour un usage médical, la pile à combustible ressemble à un petit sachet de thé qui peut être implanté sous la peau. L'alginate absorbe les fluides corporels et permet au glucose de passer du tissu à la pile à combustible qui s'y trouve.
Un réseau de diabète avec sa propre alimentation électrique
Dans un deuxième temps, les chercheurs et chercheuses ont couplé la pile à combustible à une capsule contenant des cellules bêta artificielles. Celles-ci peuvent être stimulées pour produire et sécréter de l'insuline à l'aide d'un courant électrique ou d'une lumière LED bleue. Martin Fussenegger et ses collègues ont déjà testé de telles cellules de conception il y a quelque temps (voir ETH News, 8 décembre 2016).
Le système combine une production d'énergie durable et une administration contrôlée d'insuline. Dès que la pile à combustible enregistre un excès de glucose, elle commence à produire de l'énergie. Cette énergie électrique est ensuite utilisée pour stimuler les cellules afin qu'elles produisent et libèrent de l'insuline dans le sang. En conséquence, la glycémie chute à un niveau normal. Lorsqu'elle descend en dessous d'un certain seuil, la production d'électricité et d'insuline s'arrête.
L'énergie électrique fournie par la pile à combustible est suffisante non seulement pour stimuler les cellules du concepteur, mais aussi pour permettre au système implanté de communiquer avec des dispositifs externes tels qu'un smartphone. Les utilisatrices et utilisateurs potentiels peuvent ainsi régler le système au moyen d'une application correspondante. Un ou une médecin pourrait également y accéder à distance et procéder à des ajustements. «Le nouveau système régule de manière autonome les niveaux d'insuline et de glucose dans le sang et pourrait être utilisé pour traiter le diabète à l'avenir», explique Martin Fussenegger.
Un chemin long et incertain vers la maturité du marché
Le système existant n'est qu'un prototype. Bien que les scientifiques l'aient testé avec succès sur des souris, ils et elles ne sont pas en mesure d'en faire un produit commercialisable. «La mise sur le marché d'un tel dispositif dépasse largement nos ressources financières et humaines», explique Martin Fussenegger. Il faudrait pour cela un partenaire industriel disposant des ressources et du savoir-faire nécessaires.
