De nouvelles biobatteries s'inspirent de votre intestin grêle
Une équipe de l'université de Binghamton démontre comment les eaux usées peuvent alimenter des piles à combustible bactériennes
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En cherchant à mettre au point une conception plus performante pour une bio-batterie alimentée par des bactéries, des chercheurs de l’université de Binghamton ont puisé leur inspiration dans la nature — plus précisément, dans l’intérieur de notre intestin grêle.
L'équipe de l'université de Binghamton a fabriqué des biobatteries de différentes tailles, inspirées des villosités, afin de déterminer lesquelles offraient un rendement électrique optimal.
Ruohan Zhang, Botian Wang, Seokheun Choi, "Intestinal Villi-Inspired Living Biobatteries via Habitat-Engineered Conductive Hydrogel Architectures"
Des protubérances en forme de doigts, appelées villosités, tapissent le tube digestif et sont recouvertes de micro-organismes qui nous aident à digérer nos aliments. Leur forme et leur comportement s’avèrent également idéaux pour produire de la bioénergie à l’aide de bactéries sporulantes.
Le professeur Seokheun « Sean » Choi et ses doctorants Ruohan « Astrid » Zhang et Botian Wang, du département de génie électrique et informatique de la faculté d’ingénierie et de sciences appliquées Thomas J. Watson, ont récemment publié leurs résultats dans la revue Small.
Les recherches précédentes de M. Choi ont porté sur diverses configurations de bio-batteries utilisant du papier, du tissu, du métal et des polymères, et il tente actuellement de les intégrer dans des circuits imprimés en 3D. Il a même mis au point une bio-batterie ingérable qui reste inerte jusqu’à ce qu’elle s’active dans l’intestin grêle.
En tant que pionnier de la « papertronique », Choi s’intéresse tout particulièrement à l’utilisation du papier comme support. Il a toutefois découvert une limite commune à la quasi-totalité des matériaux qu’il a testés : les configurations bidimensionnelles n’offrent pas une surface suffisante pour permettre aux bactéries Bacillus subtilis, qui forment des spores, de se développer. La nature poreuse du papier offre des possibilités tridimensionnelles limitées, mais peut entraîner des problèmes de performance.
« Les structures poreuses peuvent facilement se boucher en raison de la formation de biofilms ; nous avons donc rencontré de nombreux problèmes liés à l’apport en nutriments, à l’accumulation de déchets ou à une croissance inégale des biofilms », explique Choi, qui dirige le laboratoire de bioélectronique et de microsystèmes. « Ce dont nous avons besoin, c’est d’une bioélectrode qui imite les tissus vivants, afin d’offrir une grande surface et une courte distance de diffusion, un transport de masse efficace, tout en étant mécaniquement flexible, extensible et évolutive. »
Pour ces dernières recherches, l’équipe de Binghamton a fabriqué des structures inspirées des villosités à partir d’un hydrogel polymère inactif mais souple, couramment utilisé dans les applications biomédicales. Elle a ensemencé des bactéries inactives dans l’ensemble des villosités, qui font office d’anode de la biobatterie. Pour générer de petites quantités d’électricité, les villosités sont séparées d’une cathode en tissu de carbone modifié par une membrane d’échange d’ions.
Grâce à un apport constant de milieu nutritif, le dispositif à villosités a maintenu une tension de sortie stable d’environ 0,75 volt pendant au moins 14 heures — suffisamment pour allumer de petites LED ou alimenter des microcapteurs. Une application future pourrait être le traitement des eaux usées à alimentation autonome.
« Nous pouvons placer cette biobatterie dans une canalisation d’eaux usées, car elle s’intègre facilement à son environnement », a déclaré Choi. « Elle peut utiliser les déchets présents dans l’eau comme nutriments pour produire de l’énergie, et elle s’adapte parfaitement à la forme et à la taille de la canalisation. »
En tant qu’ingénieure électricienne, Zhang a admis qu’elle ne connaissait pas très bien le système digestif humain avant cette recherche, mais elle et Choi ont beaucoup lu avant de décider de concevoir et de construire une biobatterie inspirée des villosités.
« Je sais désormais à quoi ressemble cette structure et comment agissent les bactéries présentes dans l’intestin », a-t-elle déclaré. « J’ai également approfondi mes connaissances sur la structure exacte des villosités et sur le fonctionnement des différentes couches cellulaires, afin de pouvoir les intégrer à nos travaux. »
L’équipe de Binghamton souhaite améliorer le processus de fabrication des biobatteries inspirées des villosités en développant une méthode d’impression en une seule étape et évolutive. Les chercheurs aimeraient également se rapprocher du fonctionnement de notre organisme, les bactéries de notre tube digestif restant principalement près de la surface, dans une couche muqueuse qui recouvre les villosités.
« Dans ce travail, nous avons essayé d’imiter l’architecture », a déclaré Choi. « Nous devons reproduire leur composition physiologique et chimique réelle pour comprendre véritablement comment ces cellules bactériennes parviennent à maintenir leur viabilité. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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