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Osmotic Motor: OSMOTOR

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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HAL Id: hal-01986563

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01986563

Submitted on 18 Jan 2019

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Osmotic Motor: OSMOTOR

Grégory Chagnon, Philippe Cinquin, Anne Devin, Vanessa Durrieu, Denis Favier, Vincent Gaudin, Serge Ippolito, François Lenouvel, Alain Liné,

Stéphane Mathé, et al.

To cite this version:

Grégory Chagnon, Philippe Cinquin, Anne Devin, Vanessa Durrieu, Denis Favier, et al.. Osmotic Motor: OSMOTOR. Entretiens Jacques Cartier, Nanobiotechnologie pour l’analyse et la conversion d”énergie., 2006, Grenoble, France. �hal-01986563�

(2)

Osmotic Motor: OSMOTOR

Grégory Chagnon 1 , Philippe Cinquin 2 , Anne Devin 3 , Vanessa Durrieu 2 , Denis Favier 1 ,

Vincent Gaudin 3 , Serge Ippolito 4 , François Lenouvel 2 , Alain Liné 4 , Stéphane Mathé 4 , Luc Meunier 1 , Laurent Orgéas 1 , Alain Ricard 4 , Michel Rigoulet 3 , Bertrand Tondu 4

1

3S Laboratory, INPG, Grenoble, France

2

TIMC Laboratory, University Joseph Fourier, Grenoble, France

3

IBGC, CNRS, Bordeaux, France

4

LESIA, INSA, Toulouse, France

Corresponding address: IN3S INstitut de l'INgénierie et de l'INformation de Santé Faculté de Médecine - Domaine de la Merci 38706 LA TRONCHE CEDEX - FRANCE e-mail : Francois.Lenouvel@imag.fr

ABSTRACT

Our objective is to prove the feasibility of transforming the chemical energy of molecules that are naturally present in the organism in a mechanical energy that can be used to compensate for failure of physiological functions. We propose to explore the potential of osmotic energy, which is an interesting intermediate between chemical energy and mechanical energy, and to test an OSMOTOR (OSMOTic MOTOR). The (patented) principle of OSMOTOR is to induce cyclic variations of osmolarity in two compartments that are separated by a semi-permeable membrane. The variation of osmolarity results in movements of liquid under pressure, which corresponds to a retrievable mechanical work. The device is designed to be implanted in the human organism, from which it is separated by semi-permeable membranes that let nutriments necessary for the activity of the OSMOTOR flow in, and that let waste flow out. The membranes also protect the organism from the substances contained inside the OSMOTOR, and the latter from the defence mechanisms of the organism.

INTRODUCTION

pH modifications

Enzymatic glucose oxidation D-glucose

Glucose oxidase

D-glucono-1,5-lactone + H

2

O

2

D-gluconate

D-glucono-1,5-lactone

2H

2

O

2 catalase

H

2

O + O

2

Lowering the pH

Increasing the pH

Urea

Urease

CO

2

+ NH

3

Enzymatic degradation of urea

RESULTS

REFERENCES CONCLUSIONS

&

PERSPECTIVES

Application Osmosis

Principle

t = 0

membrane solute

DC1

DH

DP

téquilibre

DC2

DC1>DC2

Imbalance of the concentration

Flux of solvant Cfaible Cforte

Pressure Volumez

z

zz

z

Measure of the osmotic pressure

Filling hatch

Pressure sensor Semi-

permeable membrane

High pressure chamber Low pressure

chamber

detrusor

urethra

sphincter

ureters

• Projet émergence région Rhône Alpes: 2005-2008 « Osmotic Robot », TIMC, LGP2, 3S (bourse thèse L. Meunier)

• Projet ANR blanc « Moteur osmotique », TIMC (Grenoble), IBCG (Bordeaux), LESIA-LIPE (Toulouse), 3S (bourse post-doctorale)

• Patent « Micro-muscle en milieu biologique » Laboratoires TIMC et 3S, inventeurs P. Cinquin, O. Cinquin, S. Pujol, D. Favier, L. Orgéas, M. Pécher - BF n° 01/09526 filed 17/07/2001, extented by PCT FR 02/02556 on 17/02/2002

INTEGRATION

Micturition insufficiency treatment

powered by osmosis

Artificial mini-muscle

Made of elastomer + fibres

With a controlled microstructure

filled with ions exchange resins and sensitive to pH variations Or

Either

pH modifications: enzymes

NaHCO3 25 mM Glucose 110 mM pH 7.40

+ GOX

catalase

The setup: The data:

pH variation using GOX

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 5 10 15 20 25 30

Time (hours)

pH

without GOX with GOX

4.66 7.40 6.90

pH variation using urease

0 2 4 6 8 10

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Time (hours)

pH 7.40 8.90

NaHCO3 25 mM Urea 100 mM pH 7.40

+ Urease Lowering

Increasing

Pressure sensor

Water

Water + 1 M glucose Membrane, MWCO = 100 Da

The setup:

Glucose 1M versus water

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Time (h)

Pressure (bar)

The data:

Osmotic pressure measure

Ions exchange resins artificial muscle

Artificial muscle:

lenght=14 cm diameter=1.5 cm

Time (s)

0 500 1000 1500 2000 2500 5

10 15 20 25

Contraction force (dN)

Isometric response at constant rate

23 dN

The setup: The data:

Alkaline solution

Acidic solution Resin as RCOOH

LOW SWELLING

Resin as RCOO- HIGH SWELLING RCOOH + NaOH  RCOO- + Na+ + H2O

RCOO- + Na+ + HCl  RCOOH + Na+ + Cl-

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

0 50 100 150 200 250 300

Traction test: silicone sample

Force (N)

Stretching (mm), initial length: 80 mm

Artificial composite muscle powered by osmosis

Start End

Stretching

The setup: The data:

Silicone RTV 3428: 1- Large distortions 2- Biocompatible 3- Easy to handle

• Patent « Variation de pH d’une solution » Laboratoire TIMC, inventeurs P. Cinquin, V. Durrieu, F. Lenouvel (in preparation)

• Patent « Activation chimique d’un actionneur ou d’un moteur osmotique » Laboratoire TIMC et LGP2, inventeurs N. Belgacem, P. Cinquin, V. Durrieu, F. Lenouvel, BF n° 05/50314 filed 03/02/2005.

2- Production of hydrostatic pressure from osmotic effect, controllable by pH variation.

pH modification: yeast

Glycolysis

1- Reconstitution of glycolysis with isolated enzymes commercially available 2- Use of yeast as an « enzyme bag »

Glucose Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate Fructose-1,6-biphosphate

PGAL DHAP

1,3-bisphosphoglycerate 3-phosphoglycerate

2-phosphoglycerate PEP

pyruvate

lactate ATP

ADP

ATP

ADP

NAD+ NADH

ATP ADP

ATP ADP

NAD+ NADH

Aim

3- Artificial osmotic muscle 4- OSMOTOR demonstrator, quantification of the performance 1-Implantable device for variation of pH.

RESULTS

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