Produire de l'électricité avec du sucre sanguin

Chez les diabétiques de type 1, le corps ne produit pas d'insuline. Les personnes concernées doivent donc s'approvisionner en hormone de l'extérieur pour réguler leur taux de glycémie. Aujourd'hui, cela se fait généralement par le biais de pompes à insuline placées directement sur le corps. De tels appareils, mais aussi d'autres applications médicales comme les stimulateurs cardiaques, ont besoin d'une alimentation en énergie fiable. Celle-ci est actuellement assurée principalement par du courant provenant de piles ou d'accumulateurs rechargeables.

Une équipe de chercheurs dirigée par Martin Fussenegger du Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à B?le vient de concrétiser une idée à l'allure futuriste : ils ont mis au point une pile à combustible implantable qui utilise l'excès de sucre sanguin (glucose) contenu dans les tissus pour produire de l'énergie électrique. Les chercheurs ont à leur tour combiné la pile à combustible avec des cellules bêta artificielles déjà développées il y a quelques années dans leur groupe, qui produisent de l'insuline comme leurs modèles naturels dans le pancréas et font baisser efficacement le taux de glycémie.

"Dans les pays industrialisés occidentaux en particulier, de nombreuses personnes consomment plus de glucides que ce dont elles ont besoin au quotidien", explique le professeur Fussenegger de l'ETH. Cela conduit à l'obésité, au diabète ou aux maladies cardio-vasculaires, poursuit-il. "Cela nous a donné l'idée d'utiliser cet excédent d'énergie métabolique pour produire de l'électricité destinée à alimenter des appareils biomédicaux", poursuit le biotechnologue.

Pile à combustible au format "sachet de thé

La pièce ma?tresse de la pile à combustible est l'anode (électrode) créée spécialement pour cette application par l'équipe de Fussenegger. Celle-ci est composée de nanoparticules à base de cuivre et, pour produire de l'électricité, elle décompose le glucose en acide gluconique et en un proton, ce qui déclenche un circuit électrique.

La pile à combustible est enveloppée dans un non-tissé et recouverte d'alginate, un produit à base d'algues autorisé pour les applications médicales. La pile à combustible ressemble ainsi à un petit sachet de thé qui peut être inséré sous la peau. L'alginate s'imprègne des fluides corporels et laisse passer le glucose des tissus vers l'intérieur.

Réseau diabète avec sa propre alimentation électrique

Dans une deuxième étape, les chercheurs ont couplé la pile à combustible à une capsule contenant des cellules bêta artificielles. Celles-ci peuvent être stimulées par un courant électrique ou une lumière LED bleue afin de produire et de libérer de l'insuline. Fussenegger et ses collaborateurs ont déjà testé de telles cellules de designer il y a quelque temps (voir Actualités ETH du 8.12.2016).

Le système combine donc une production d'électricité permanente et une administration contr?lée d'insuline. Dès que la pile à combustible enregistre un excédent de glucose, la production d'électricité se met en marche. L'énergie électrique est alors utilisée pour stimuler les cellules afin qu'elles produisent de l'insuline et la libèrent dans le sang. Le taux de glucose sanguin baisse ainsi à un niveau normal. Dès qu'il tombe en dessous d'un certain seuil, la production de courant et donc d'insuline s'arrête.

La pile à combustible ne fournit pas seulement suffisamment d'énergie électrique pour stimuler les cellules du designer, elle est également suffisante pour que le système implanté puisse communiquer avec des appareils externes tels qu'un smartphone. Cela permet aux utilisateurs potentiels d'ajuster le système via une application correspondante. Un médecin pourrait également y accéder à distance et procéder à des ajustements. "Le nouveau système régule le niveau d'insuline et donc le taux de glycémie de manière autonome et pourrait être utilisé à l'avenir pour le traitement du diabète", souligne Fussenegger.

Un chemin long et incertain vers la commercialisation

Le système présenté n'est encore qu'un prototype. Les chercheurs l'ont certes testé avec succès sur un modèle de souris, mais ils ne peuvent pas le développer en un produit commercialisable. "Amener un tel appareil à maturité dépasse de loin nos moyens financiers et humains", explique Fussenegger. Il faut donc un partenaire industriel qui dispose des moyens et du savoir-faire nécessaires.