Les biopiles enzymatiques miniatures représentent un potentiel important pour la future génération de dispositifs médicaux implantables, utilisés pour le diagnostic, le pronostic et le traitement. Ces derniers fonctionnent actuellement avec des sources d'énergie externes. Ces biopiles utilisant les molécules présentes dans les fluides biologiques sont des dispositifs médicaux prometteurs. Le glucose, qui est abondamment disponible dans le corps, est à l’étude comme biocarburant permettant de produire de l’énergie. Les enzymes utilisées pour produire l'énergie à partir des produits biochimiques sont immobilisées sur des électrodes en or par des médiateurs redox. Cependant, la faible puissance actuellement disponible et la sensibilité des enzymes à l'environnement limitent leur application in vivo. Malgré des recherches intensives, de nombreux problèmes restent à résoudre, notamment l'amélioration de la puissance, de la stabilité et de la biocompatibilité des biopiles.La réaction à corps étranger et l'isolement du dispositif médical par la formation d'une capsule fibreuse peuvent d'une part dénaturer les enzymes et, d'autre part, entraver la diffusion des analytes et de l'oxygène. Le travail décrit dans cette thèse vise à protéger les biopiles fonctionnant à base de glucose. Afin de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, les hydrogels, actuellement développés pour diverses applications telles que l'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire et les dispositifs médicaux, offrent des propriétés prometteuses en tant que matériaux de revêtement.La première partie de la thèse est centrée sur l'évaluation de différents hydrogels injectables de faible poids moléculaire, en analysant à la fois la gélification in vitro et in vivo, la cinétique de dégradation, la réaction à corps étranger et l'angiogenèse. Les hydrogels présentent une dégradation lente et une intégration tissulaire optimale. Une angiogenèse accrue a été observée en raison de la libération d'une molécule pro-angiogénique pendant la dégradation de l'hydrogel.Dans la seconde partie de la thèse, l'un des hydrogels étudiés a été utilisé pour recouvrir l'électrode en or : le choix de l'enzyme a été basé sur des études de stabilité in vitro. En parallèle, le processus de revêtement a été optimisé, à la fois pour son uniformité et son épaisseur. Même si un revêtement plus épais présente l’avantage de protéger l’électrode contre la réaction à corps étranger, il est nécessaire de limiter l’épaisseur afin de maintenir une diffusion efficace des analytes et de l’oxygène.Les expériences en cours décrites dans la dernière partie de la thèse sont axées sur l'optimisation de l'implantation chez le rat et la mesure de l'activité des biopiles. De plus, les électrodes ont été connectées à une antenne pour établir une communication sans fil ; en effet, cela permettrait une mesure non invasive de l'activité enzymatique.En conclusion, ces travaux ont permis d'identifier un hydrogel pouvant être utilisé pour revêtir les électrodes de biopiles. Le sous-produit libéré lors de la biodégradation favorise l'angiogenèse au voisinage du matériau. Grâce à ce revêtement, on peut donc s'attendre à un échange accru d'analytes et d'oxygène, préalable indispensable à l'activité enzymatique. / Miniature enzymatic biofuel cells hold great potential to power the future generation of implantable medical devices, which are currently working on external power sources used for diagnosis, prognosis and treatment. Enzymatic biofuel cells appear to be promising in harvesting the energy from biochemicals present in physiological body fluids. Glucose, which is abundantly available in the body, is being explored as a biofuel to harvest energy. The enzymes employed to harvest the energy from the biochemicals are electrically wired on gold electrodes by redox mediators. However, the limitation of insufficient power, and the sensitivity of the enzymes towards host environment restrict their in vivo application. Despite several attempts, numerous challenges remain to be addressed such as improved current density, increased stability, and biocompatibility of enzymatic biofuel cells.Foreign body reaction and isolation of the medical device by formation of a fibrous capsule may firstly denature the enzymes, and secondly hinder the diffusion of analytes and oxygen. The work described in this thesis aims at protecting glucose based biofuel cells. As a strategy for combatting the bottlenecks mentioned above, hydrogels, currently developed for various applications such as drug delivery, tissue engineering, and medical device, offer promising properties as coating materials.The first part of the thesis is focused on evaluating different low molecular weight injectable hydrogels by analysing both in vitro and in vivo gel formation, degradation kinetics, foreign body reaction and angiogenesis. The hydrogels exhibit slow degradation, and optimal tissue integration. Enhanced angiogenesis was observed due to a pro-angiogenic molecule released during hydrogel degradation.In the second part of the thesis, one of the studied hydrogels was used to coat the gold electrode functionalised with enzyme: the selection of the enzyme was based on in vitro stability studies. In parallel, the process of coating was optimised, both for uniformity and thickness. Although a thicker coating should protect the electrode against foreign body reaction, it was necessary to limit the thickness in order to maintain an efficient analyte and oxygen diffusion.Ongoing experiments described in the last part of the thesis are focused on the optimisation of implantation in rat and measurement of the biofuel cell activity. In addition, the electrodes were connected to an antenna for wireless communication; indeed, such a device would allow for a non-invasive measurement of enzyme activity.To conclude, this work allowed for the identification of a hydrogel that can be used to coat the electrodes of biofuel cells. The byproduct released during the biodegradation favours angiogenesis in the vicinity of the material. Thanks to this coating, we can therefore expect an enhanced exchange of analytes and oxygen, which is a prerequisite for enzyme activity.

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.

Introduction: Les implants dans le système nerveux périphérique (SNP) peuvent potentiellement restaurer les capacités sensorielles et motrices chez les patients avec des amputations des membres supérieures. Cependant, la réaction à un corps étrangers affecte significativement la fonction à long-terme et la biocompatibilité de ces systèmes avec le temps. Le dendrimère (DND) et la Poly-D-Lysine (PDL) sont deux polymères synthétiques qui peuvent potentiellement améliorer la performance de ces implants. Pour cette étude, notre objectif est de déterminer si ces polymères peuvent promouvoir la formation d’éléments présynaptiques sur des surfaces synthétiques in vivo dans un modèle animal. Méthodes: Pour l’étude in vivo, nous avons utilisé un modèle d’écrasement du nerf sciatique chez le rat. Des billes enduites de DND et PDL et contrôle ont été injectées dans le nerf sciatique aux sites d’écrasement et 5 mm distaux au site d’écrasement. Après 4, 6 et 8 semaines, les nerfs ont été retirés et marqués avec des anticorps spécifiques au neurofilament et à la synaptophysine. Nous avons ensuite compté le nombre d’éléments présynaptiques retrouvant sur la surface de chaque bille pour toutes les conditions. Pour l’étude de l’électrode, deux électrodes ont été implantées dans le nerf sciatique du rat. Nous avons ensuite effectué des enregistrements nerveux à chaque semaine, et le potentiel d’action dans le nerf a été mesuré en variant uniquement la largeur de l’impulsion. Résultats: L’étude in vivo a démontré que les billes enduites de DND pouvaient promouvoir une accumulation significative de synaptophysine sur leurs surfaces comparé aux billes contrôles de 4 à 8 semaines. À 4 semaines, les billes dans la condition DND avaient également une accumulation de synaptophysine significativement supérieure à celles dans la condition PDL pour le site distal à l’écrasement. L’étude de l’électrode a démontré que les deux électrodes pouvaient stimuler et acquérir des signaux nerveux du nerf sciatique jusqu’à 1 et 2 semaines respectivement avant de ne plus fonctionner. Conclusion: Les résultats de notre étude suggèrent que DND possède une propriété à promouvoir la synaptogenèse qui est supérieure à PDL in vivo et que notre modèle d’électrode peut être utilisé pour évaluer la stabilité du signal des implants SNP. / Background: Implants in the peripheral nervous system (PNS) can potentially restore sensory feedback, improve motor control and alleviate phantom-limb pain in upper-limb amputees. However, nervous system implants have poor long-term function and biocompatibility when implanted into the body due to foreign body reaction. Dendrimer (DND) and Poly-D-Lysine (PDL) are two synthetic polymers with properties that could improve the performance of these interfaces. In my masters’ research, my objective is to determine whether these synthetic polymers could promote the formation of presynaptic elements on artificial surfaces in vivo making intraneural implants more biocompatible and long-lasting. Methods: In the coated microsphere in vivo experiment, a nerve crush injury model in the rat was used for the study. PDL-coated, DND-coated and uncoated beads were injected into the rat sciatic nerve at the crush site and 5 mm distal to the crush site. The nerves were then harvested after 4, 6 and 8 weeks and stained for neurofilament and synaptophysin. Synaptophysin puncta were then counted on the bead surface for each group. Additionally, in a proof-of-concept experiment, two uncoated electrodes were implanted into the rat sciatic nerve. Nerve recordings were then performed every week, and the threshold nerve potential in the sciatic nerve was measured by only varying the pulse duration of the stimulation. Results: The coated microsphere in vivo experiment demonstrated that DND-coated microspheres had a significantly higher number of synaptophysin puncta around their surface from 4 to 8 weeks compared to uncoated beads. At 4 weeks, the DND condition also showed a significantly higher number of synaptophysin puncta around its microbeads vs. the PDL condition for the distal site. In the uncoated electrode in vivo experiment, the results showed that the two implants could stimulate and record threshold nerve potentials in the rat sciatic nerve for one week and two weeks respectively before being non-functional. Conclusion: Our study showed for the first time that DND has a stable synapse-promoting property that is superior to PDL in vivo and that our electrode design can be used to assess the long-term signal stability of peripheral nerve implants.