Implantation de Biocathodes compressées et lyophilisées autoportées

Deux biocathodes ont été fabriquées par compression composées de chitosan et comme catalyseur Fe/N-rGO, ainsi que deux biocathodes lyophilisées autoportées. Comme lors du procédé décrit dans le deuxième chapitre, un contact électrique a été ajouté à l’aide de pâte de carbone ainsi qu’une protection à l’aide de silicone. Une fois l’électrode fabriquée, des premières caractérisations électrochimiques ont été effectuées, notamment une chronoampérométrie à 100 mV vs ECS.

Comme évoqué en amont, les électrodes ont été encapsulées avec une membrane séparatrice d’hydrogel de PVA, permettant à la fois de jouer le rôle de protection des électrodes fabriquées et diminuant la réponse inflammatoire. La littérature renseigne sur l’existence d’un grand nombre de membranes séparatrices/protectrices. Il existe différents types de matériaux synthétiques permettant de fabriquer des prothèses jouant le rôle de séparateur et dont la fabrication est facilement contrôlable : le polypropylène, le polyuréthane (PU), le polytétrafluoroéthylène expansé (e-PTFE) et le polyéthylène téréphtalate (PET) commercialisé sous le nom de Dacron® [163]–[166]. Ces membranes ont été optimisées par des dépôts de protéines visant à limiter l’adhésion cellulaire, mais les recherches actuelles s’orientent surtout vers l’utilisation de biomatériaux biodégradables de type polycaprolactone, acide poly(lactique-co-glycolique), fibroïne de soie… et l’utilisation de nouvelles techniques de fabrication, notamment le dépôt de fibres par electrospinning ou electrospraying pour créer des architectures 3D mimant la matrice extracellulaire.

Comme décrits en amont, les travaux de Penven et al. mettent en avant l’utilisation de PVA sous forme d’hydrogel en tant que membrane [167]. Cette forme de PVA apparait comme une solution très prometteuse afin de jouer le rôle de membrane séparatrice. En plus de posséder des pores élevés et nombreux, l’hydrogel de PVA limite l’adhésion cellulaire à sa surface, le PVA est de plus biodégradable et inerte une fois implanté, en d’autres termes, il ne semble pas engendrer de réactions du corps non souhaitées [168]. C’est pour ces nombreuses raisons qu’une membrane d’hydrogel de PVA est ajoutée sur les électrodes (figures 80a-d).

5.2.2 Stérilisation

L’étape de stérilisation d’un implant est primordiale car elle permet d’éviter une infection pouvant donner lieu à des complications telle qu’une éventration, ou bien une septicémie. Il existe différents procédés de stérilisation, par action chimique ou bien physique d’un dispositif. Parmi les méthodes les plus courantes, l’utilisation de l’autoclave est la plus populaire. Toutefois, l’utilisation d’une membrane hydrogel de PVA n’autorise pas cette option, car les propriétés de cette membrane seront affectées par la pression et la température (figures 81).

Il subsiste ainsi deux types de stérilisation à froid, l’une utilisant le peroxyde d’hydrogène sous vide, la seconde, par ionisation à l’aide de faisceaux d’électrons ou rayons gamma. La stérilisation au peroxyde d’hydrogène est un procédé couramment utilisé dans les hôpitaux pour les dispositifs médicaux implantables. Toutefois, ce procédé n’est pas adapté aux électrodes fabriquées, l’utilisation d’un oxydant fort aurait des conséquences sur la membrane de PVA ainsi que sur le liant employé.

Figure 80:a-b Electrodes compressées de Fe/N-rGO et chitosan (électrode a et b), électrodes enrobées de PVA avec contact électrique

c-d Electrodes lyophilisées de Fe/N-rGO et chitosan (électrode c et d), électrodes enrobées de PVA avec contact électrique

a b

c d

Figure 81: Photos de membrane d’hydrogel de PVA avant (a) et après (b) stérilisation à l’étuve

Dans leurs travaux, Penven et al. [144] ainsi que Alcaraz et al. [19], ont étudié l’impact des rayons gamma sur les différents composants de leurs biopiles enzymatiques ainsi que sur des spores de

Geobacillus stearothermophilus. Ils définissent, grâce à leurs travaux, une dose idéale de radiation au

cobalt (Co60_{) de 12 kGy qui permet de neutraliser les spores. Les auteurs justifient également ce choix} de stérilisation par un faible impact de la radiation du cobalt sur l’activité enzymatique. Dans le cas des catalyseurs abiotique Fe/N-rGO, cette stérilisation ne devrait pas, ou très peu, impacter la structure ni l’activité du catalyseur.

Les électrodes ont donc été stérilisées au rayonnement gamma à l’aide d’une source de cobalt 60_Co.

5.2.3 Implantation

Les électrodes compressées ont été implantées dans un rat et celles lyophilisées dans un autre rat sur une période de 1 mois. Les rats ont été anesthésiés à l’aide d’isoflurane, l’opérateur a ensuite effectué une laparotomie latérale sur la ligne blanche, puis, les électrodes ont été insérées. Après implantation, le chirurgien a effectué un surjet musculaire en points cintrés de bas en haut et une suture cutanée point à point. Ces implantations ont été effectuées afin de répondre à deux questions principales : 1/ Quel impact notre électrode peut-elle avoir sur l’organisme et le comportement d’un rat ? 2/ Est-ce que l’implantation inhibe le catalyseur Fe/N-rGO et est-ce que celui-ci catalyse toujours l’ORR après implantation ?

Le suivi des paramètres physiologiques s’est limité à la mesure de la masse corporelle et de l’alimentation, l’observation des fèces et du comportement général de l’animal. L’implantation d’électrodes ou de biopiles chez l’animal ne doit pas générer de douleur. La réussite des implantations tient en partie au fait que les animaux sont en bonne santé physique et psychologique, de préférence peu agressifs. Les réponses biologiques au stress incluent la réponse du système immunitaire, et il est primordial pour nos expériences de favoriser une bonne cicatrisation ainsi qu’un état de bien-être évitant des pathologies opportunistes. En pratique, l’enrichissement du milieu couvre de nombreuses initiatives techniques ingénieuses et imaginatives pour occuper les animaux captifs. Différentes actions ont permis de diminuer le stress chez le rat.

-Un programme d’enrichissement du milieu a été mis en place, avec l’introduction d’un tunnel cartonné de 80 mm de diamètre et d’une quinzaine de cm de long avec lequel le rat joue. Un jeu en copeaux de bois est aussi introduit dans la cage et permet à l’animal de se cacher, ce qui a un effet apaisant pour lui. L’amélioration des conditions d’hébergement a permis de diminuer le stress et a favorisé la récupération post- opératoire.

-Au niveau de la gestion de la douleur, un anti-inflammatoire non stéroïdien (Rimadyl) a été prescrit et systématiquement injecté pendant les premiers jours suivant l’implantation puis de façon moins systématique en fonction du comportement de l’animal. Les signes de douleur ont été cherchés dans les comportements classiques comme la prostration, le dos voussé, le poil hérissé, mais aussi en utilisant l’échelle du « grimace facing » (plissement des yeux, nez et joues moins bombées, oreilles repliées, moustaches rassemblées vers l’arrière du museau).

L’observation des paramètres physiologiques et comportementaux des animaux a montré l’innocuité des implantations pratiquées :

-Aucune manifestation de douleur n’a été observée.

-Les rats implantés avaient un comportement d’exploration et de toilettage normal.

-La cicatrice laissée par la laparotomie était rapidement résorbée après quelques jours.

-La pesée bi-hebdomadaire des rats a montré que leur poids augmentait de façon régulière avec cependant une légère inflexion due à l’opération chirurgicale pendant les 2 ou 3 premiers jours.

5.2.4 Euthanasie

Après 1 mois d’implantation, le chirurgien a procédé à l’euthanasie des rats à l’aide d’injection de pentobarbital. Une fois les animaux euthanasiés l’autopsie a pu être effectuée (figure 82a et 82b).

Figure 82: a/ Rat comportant les électrodes compressées b/ rat comportant les électrodes lyophilisées

Les cicatrices au niveau du derme et de l’épiderme n’étaient plus visibles et les points cutanés s’étaient résorbés, seuls les points musculaires de la laparotomie subsistaient. Les organes de chacun des rats étaient sains, aucune anomalie n’a été constatée au niveau du foie, des reins, du cœur et des poumons. On constate la présence de tissus biologiques autour de trois des échantillons implantés (figures 83a, 83b et 83c), alors que le quatrième échantillon (figures 83d et 83e) n’a pas fait l’objet de recouvrement de tissus, ce qui s’explique par la propriété d’anti-bioencrassement qu’offre le PVA.

Les tissus que comportaient les cathodes compressées (figures 83a et 83b) n’ont montré aucune adhérence à l’électrode lors de leurs retraits. Le tissus adipofibreux entourant la cathode était adhérent aux organes par un bourrelet de graisse mésentérique. Il fut de même pour la cathode lyophilisée enrobée de tissus adipofibreux (figure 83c), avec toutefois des adhérences hépatiques.

Afin de compléter l’étude de biocompatibilité, les tissus présents autour de l’électrode ont ensuite fait l’objet d’une caractérisation histologique alors que l’électrode a été caractérisée par une chronoampérométrie à 100 mv vs ECS.

a _b

c d e

Figure 83: a/ biocathode a compressée de Fe/N-rGO-chitosan après 1 mois d’implantation b/ biocathode b compressée de Fe/N-rGO-chitosan après 1 mois d’implantation

c/ biocathode c lyophilisée de Fe/N-rGO-chitosan après 1 mois d’implantation d/ et e/ biocathode d lyophilisée de Fe/N-rGO-chitosan après 1 mois d’implantation