Fabrication et optimisation de bioelectrodes abiotiques pour biopiles à glucose implantables
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
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Abstract EN:
This thesis work aimed to optimize of abiotic biocathodes manufacturing for implantable glucose biofuel cells using different printing technics. The adopted catalyst is an abiotic catalyst consisting of graphene doped with iron and nitrogen (Gr-N-Fe (2 %)).2D biocathodes were firstly fabricated using two printing technics: ultrasonic spraying and doctor blade coating. Biocathodes produced by ultrasonic spraying exhibited poor electrochemical performances due to the small amounts of active material deposited. Using doctor blade printing technic, a current density of about 66 µA. cm2 was obtained with a high stability exceeding a period of two years. Preliminary cell culture tests of the biocathode’s compounds in the presence of fibroblast cells derived from mice have been validated. Based on these results, the authorization from the Grenoble ethics committee for electrode’s implantation in rats has been obtained. The flexible biocathodes were implanted in the intraabdominal domain of a rat for different periods. An absence of inflammatory reaction observed is after 5 months of implantation was noticed. This result highlights the biocompatibility of these flexible biocathodes. In addition, these biocathodes were electrochemically functional even after an implantation period of 5 months.In the next part of the thesis, 3D biocathodes were developed. 3D printed abiotic biocathodes were firstly fabricated. The use of 3D printing was on the purpose of obtaining 3D electrodes with controlled macroporosity. This configuration facilitate the electrolyte diffusion within the 3D electrodes. The 3D printed biocathode manufacturing was carried out via two methods: the first consisted of using the catalyst directly in the initial formulation, while the second consisted of creating the catalytic sites in situ the 3D shape. A formulation based on cellulose microfibrils, chitosan powder, catalyst (or precursor) and commercial graphene has been optimized where a total graphene mass percentage of 83.3% has been set. Indeed, the use of cellulose microfibrils in the formulation confers a better microporosity on the bioelectrodes compared to the binder usually used such as chitosan, PVA, PVDF etc. An optimization of the printing parameters was then carried out where a theoretical filling rate was set at 40 %. This rate demonstrated the best macroporosity and pore’s distribution homogeneity as well as the best electrochemical performances. Current densities of about of were provided via the 1st method. As for the second method, an improvement in electrochemical performance by a factor of 1.5 is achieved. This is mainly due to the pyrolysis step which improves the conductivity as well as the porosity of the bioelectrode. However, these improvements are made to the detriment of the biocathodes mechanical strength. This makes them more sensitive to the mechanical stresses induced during implantation. Taking into account the mechanical strength, the biocathodes produced using the 1st method were chosen to perform hybrid biofuel cell’s implantation in the rat’s intraabdominal part. The power density of these biofuel cells was of about 80 µW in vitro before implantation. This one remained functional even after an implantation period of around 3 months. In addition, a virtual absence of inflammatory reaction after 3 months has been observed, which highlights the biocompatibility of these biocathodes. This type of 3D printed electrodes for implantable glucose biofuel cells presented a new generation of electrodes produced for the first time in the literature. As a result, an invention about this work was made by our group.Given the improvement in the porosity provided by cellulose microfibrils, a comparative study between two enzymatic anodes made from glucose oxidase was carried out. This study has clearly demonstrated that by replacing chitosan with MFCs, an improvement in electrochemical performance by a factor of was obtained.
Abstract FR:
Ce travail de thèse avait pour objectif d’optimiser la fabrication des biocathodes abiotiques pour biopiles à glucose implantables en utilisant différents procèdes d’impression. Le catalyseur mis en jeu est un catalyseur abiotique constitué de graphène dopé au fer et azote (Gr-N-Fe (2 %)).Des biocathodes en 2D ont été tout d’abord effectuées en utilisant deux méthodes de dépôt la pulvérisation ultrasonique et le dépôt par couchage. Les biocathodes réalisées par pulvérisation ultrasonique présentaient des très faibles performances électrochimiques dus aux faibles quantités de matière active déposées. De ce fait, la méthode de dépôt par couchage a été ainsi adoptée vu qu’elle permet de déposer des quantités de matière plus importante. Grâce à cette méthode, des densités de courant de l’ordre de 66 µA/cm2 avec une stabilité excédant les deux années ont été obtenues. Des tests préliminaires de culture cellulaire de la biocathode en présence de cellules fibroblastes issus de souris ont été validée. Fort de ces résultats, l’autorisation du comité d’éthique de Grenoble pour effectuer des implantations chez le rat a été obtenue. Les biocathodes flexibles ont ainsi fait l’objet d’une implantation dans le domaine intraabdominal d’un rat pour différentes périodes. Une absence de réaction inflammatoire est constatée après 5 mois d’implantation. Ceci met ainsi en évidence la biocompatibilité de cette dernière. De plus, ces biocathodes était électrochimiquement fonctionnelles même après une durée d’implantation de l’ordre de 5 mois.Dans la partie suivante de la thèse, des biocathodes en 3D ont été élaborées. Des biocathodes abiotiques imprimées en 3D ont été réalisées en premier lieu. L’utilisation de l’impression 3D avait pour but d’obtenir des électrodes en 3D ayant une macroporosité contrôlée facilitant ainsi la diffusion de l’électrolyte au sein de l’électrode en 3D. La fabrication de ces derniers était réalisée via deux méthodes : la première consistait à utiliser la matière active directement dans la formulation initiale tans dis que la deuxième consistait à créer les sites catalytiques plutôt in situ la forme en 3D. Une formulation à base de microfibrilles de cellulose, de chitosan en poudre, de catalyseur (ou précurseur) et de graphène commercial a été optimisée où un pourcentage massique total en graphène de 83.3 % été fixé. En effet, l’utilisation des microfibrilles de cellulose dans la formulation confère une meilleure microporosité aux bioélectrode comparé aux liants habituellement utilisés. Une optimisation des paramètres d’impression était par la suite effectuée. Un pourcentage théorique de remplissage a été fixé à 40 % où la meilleur macroporosité et homogénéité de distribution de pores ainsi que les meilleures performances électrochimiques sont obtenues. Des densités de courant de l’ordre de 400 µA/cm2 sous air sont apportées via la 1ére méthode. Quant à la 2éme méthode, une amélioration des performances électrochimiques d’un facteur de 1.5 est effectuée. Ceci est dû principalement à l’étape de pyrolyse qui apporte une amélioration de la conductivité ainsi que la porosité de la bioélectrode. Toutefois, ces améliorations se font au détriment de la tenue mécanique des biocathodes. En tenant compte de la tenue mécanique, les biocathodes réalisées via la 1ére méthodes ont été choisies pour effectuer des tests d’implantation de biopiles hybrides dans le domaine intraabdominal des rats. La densité de puissance de ces biopiles était de l’ordre de 80 µW avant implantation. Ces dernières restaient encore fonctionnelles même après une durée d’implantation de l’ordre de 3 mois. De plus, une quasi-absence de réaction inflammatoire au bout de 3 mois a été constatée, mettant en évidence la biocompatibilité de ces biocathodes.Finalement, une formulation à base de MFC à été aussi adopté afin de réaliser des anodes enzymatiques montrant une amélioration des performances électrochimiques d’un facteur de 1.5 comparé au chitosan.