Les batteries internes pourraient-elles alimenter les nouveaux appareils portables et même lutter contre le cancer ?

La technologie portable remodèle notre vie quotidienne depuis un certain temps déjà, et elle ne fera que croître, comme en témoigne le marché des dispositifs portables, évalué à $61,30 milliards d'euros en 2022. Au cours de cette seule année, plus de 490 millions d'unités portables ont été livrées aux consommateurs. 

Grâce à l'innovation, les dispositifs portables ont façonné des tendances qui couvrent des secteurs allant de la durabilité environnementale aux soins de santé, où ce type d'électronique a transformé la surveillance de la santé, les thérapies, le diagnostic des maladies et la cicatrisation des plaies. Pour fonctionner de manière fiable, ces appareils s'appuient sur des batteries qui sont non seulement biocompatibles, mais qui ont également une capacité suffisante.

La majorité des dispositifs implantables sont alimentés par des piles traditionnelles telles que les piles Ag-Zn (argent-zinc) et Li-I2 (lithium-iode). Ces piles conventionnelles ont toutefois une capacité limitée et présentent un risque de sécurité dû à la fuite de l'électrolyte organique.  

Scellées et utilisées pour alimenter des dispositifs implantables, les piles Ag-Zn et Li-I2 ont une capacité limitée par leur masse, ce qui restreint leur durée de vie. C'est dans ce contexte que les piles Ag-Zn et Li-I2 ont été mises au point. une nouvelle étude propose d'utiliser les composants que les organismes vivants contiennent naturellement. Ces composants comprennent la sueur, les enzymes, le glucose et l'oxygène dissous, qui peuvent être utilisés comme sources d'énergie continues pour les batteries.

L'utilisation de composants actifs tels que l'O2 et le glucose comme cathodes/anodes, qui peuvent être obtenus en continu par le métabolisme, présente de bonnes performances électrochimiques à la fois in vitro et in vivo. 

Publié dans Cell Press, le étude propose des batteries métal-O2, qui utiliseront l'O2 comme composant actif dans la cathode et seront assemblées avec une anode métallique. Elles fourniront ainsi des densités d'énergie extrêmement élevées, 5 à 10 fois supérieures à celles des batteries implantables actuellement disponibles. 

En théorie, les batteries Li-O2 et sodium-oxygène (Na-O2) offrent des densités énergétiques différentes, respectivement de 3 458 et 1 605 Wh/kg. Ces chiffres dépassent de loin ceux des batteries lithium-ion actuelles.

L'étude a été menée par Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu et Yi Ding, tous affiliés au Laboratoire des matériaux poreux fonctionnels avancés, à l'Institut des matériaux pour les nouvelles énergies et les technologies à faible teneur en carbone, à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, à l'Université de technologie de Tianjin, en Chine. 

Les autres chercheurs étaient Shuang Wu et Pingli Wu du Collège de chimie et de science des matériaux, Institut des sciences de la vie et du développement vert, Université de Hebei, Chine ; Shuangyong Sun de la Faculté de pharmacie, Université médicale de Tianjin ; et Yonggang Wang du Département de chimie et du Laboratoire clé de Shanghai de catalyse moléculaire et de matériaux innovants, Institut des énergies nouvelles, iChEM, Université de Fudan, Chine.

Cette étude a bénéficié du soutien financier de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du Programme national de recherche et de développement de la Chine et du Fonds national des sciences pour les jeunes chercheurs distingués.

Batterie Na-O2 implantable et biocompatible

L'oxygène est essentiel à la vie et omniprésent dans les tissus vivants. De même, le sodium, un autre élément essentiel, est largement présent dans notre corps sous la forme de Na+. Cette omniprésence fait des piles métal-O2 une perspective prometteuse pour des sources d'énergie constamment renouvelées. 

Alors que le sodium a été développé comme anode prometteuse pour les batteries rechargeables, les batteries Na-O2 ont été particulièrement populaires en raison de leur faible coût, de leur densité énergétique théorique élevée et de leur potentiel d'utilisation dans les réseaux intelligents et l'électronique portable. De plus, le produit de décharge des batteries Na-O2 peut être facilement métabolisé dans le foie et les reins, ce qui ajoute à leur attrait.

De cette manière, les piles au Na-O2 peuvent répondre aux exigences d'un approvisionnement continu en matières premières et d'un métabolisme in vivo du produit.

Ce n'est donc pas la première fois que des chercheurs s'intéressent aux batteries Na-O2. En 2018, une étude a mis en évidence leur potentiel grâce à leur densité énergétique théorique élevée et à l'abondance des ressources, tout en attirant l'attention sur leur cinétique lente due à la formation de produits de décharge de grande taille avec des formes de particules cubiques ou irrégulières. 

Autre article rédigé par Hossein Yadegari et Xueliang Sun du département d'ingénierie mécanique et des matériaux de l'université de Western Ontario, a noté que les batteries Na-O2 sont apparues comme une alternative économe en énergie aux batteries Li-O2. Elles reposent sur la chimie réversible du superoxyde, et leurs cellules présentent un surpotentiel de charge inférieur à celui de leurs homologues Li, ce qui peut se traduire par des performances de cyclage élevées. 

Cependant, elle a souligné que l'interaction entre la paire d'ions est insuffisante pour empêcher l'attaque nucléophile de l'O2 contre l'électrolyte de la cellule. En outre, la stabilité intrinsèque du NaO2 et la réactivité chimique plus élevée du Na métallique constituent des défis pour l'évolution des piles Na-O2. Bien qu'il y ait eu relativement peu de rapports sur ces piles, les avantages potentiels significatifs des piles métal-O2 implantables soulignent l'importance de relever les défis existants.

Cette dernière étude met en évidence la nécessité pour les piles utilisées in vivo d'avoir une architecture ouverte, garantissant l'adsorption de l'O2 des fluides corporels. En outre, elle souligne l'importance de sélectionner des composants de batterie qui présentent une bonne biocompatibilité afin d'éviter les rejets et les réactions. En outre, l'anode à base de Na, très réactive, doit être bien protégée. La conception de la batterie doit en outre être flexible pour permettre un contact stable et intime avec les tissus mous.

En conséquence, l'équipe propose une nouvelle conception de batterie Na-O2 qui utilise un alliage stable à base de Na (NaGaSn) comme anode (d'où l'électricité entre) et une cathode en or nanoporeux (NPG) (d'où l'électricité sort) séparée par une membrane échangeuse d'ions (Nafion).

Au lieu d'utiliser un Na métallique pur, les chercheurs ont opté pour un alliage ternaire NaGaSn afin d'améliorer la sécurité et les propriétés anticorrosion dans les organismes vivants. Parallèlement, le NPG a été utilisé comme cathode dans des batteries métal-air pour la réaction de réduction de l'oxygène. Pendant la décharge, l'O2 est fourni en continu par les fluides corporels et réduit par la catalyse du NPG. 

Résultats prometteurs, applications potentielles 

L'électronique implantable gagne de plus en plus de terrain en raison de son potentiel à révolutionner le suivi personnalisé des soins de santé et la thérapie de précision, ce qui accroît d'autant l'importance des batteries implantables. L'utilisation de composants actifs provenant d'organismes vivants peut fournir des sources d'énergie à long terme, réduisant ainsi la nécessité de remplacer les batteries à plusieurs reprises par des processus chirurgicaux, offrant ainsi une solution à long terme plus durable. 

L'étude a permis de développer avec succès une batterie Na-O2 implantable et biocompatible dotée d'une structure de cathode ouverte qui fonctionne en douceur. Chez le rat, la batterie stratifiée a atteint une densité de puissance de 2,6 μW/cm2 à 1,3 V, démontrant une excellente biocompatibilité in vivo. 

Les résultats ont montré qu'il n'y avait pas d'inflammation significative autour des batteries implantées. De plus, les capillaires se régénèrent bien autour de la cathode, fournissant une source continue d'O2 pour la batterie. 

Par ailleurs, le catalyseur cathodique NPG a permis à la batterie d'atteindre une excellente stabilité, ce qui, selon l'étude, fait du NPG le "choix inévitable" en tant que cathode de la batterie Na-O2. La membrane PLCL électrofilée a contribué à améliorer la biocompatibilité, et la structure poreuse de la membrane, qui a servi de canaux pour le transport de la masse et de l'électrolyte, a permis la perméation des fluides corporels et la diffusion de l'O2. 

Quant aux ions Na+ et OH- produits lors du processus de décharge, ils ont pénétré dans le sang sans provoquer de perturbation électrolytique, et leur métabolisme dans l'organisme n'a entraîné aucune anomalie au niveau du foie et des reins. 

Les résultats de l'étude ont également montré un potentiel prometteur en tant que source d'énergie pour l'alimentation d'appareils électroniques micro-implantables. En outre, la consommation d'O2 à partir de fluides corporels met en évidence les applications potentielles de la batterie Na-O2 dans les domaines de la biologie et de la recherche médicale. Selon l'étude :

"Notre batterie Na-O2 révolutionne le concept des batteries implantables, la consommation d'O2 pendant la décharge entraîne une fonction de désoxygénation, ce qui offre également une nouvelle façon de combiner les implants bioélectroniques et la biothérapie pour les maladies associées aux environnements anaérobies. 

La batterie Na-O2 présente donc un grand potentiel, mais elle ne se limite pas à l'alimentation des "wearables" ; elle peut être utilisée de manière beaucoup plus large, notamment pour des applications liées au cancer et pour le suivi de la cicatrisation des plaies.

L'étude a également montré que la démence sénile et le cancer sont étroitement liés aux niveaux d'oxygène dans les tissus concernés. Une batterie d'eau salée auto-rechargeable pour la thérapie antitumorale en consommant de l'O2 a récemment été signalée et ouvre une nouvelle voie pour combiner les implants bioélectroniques et la biothérapie.

Le contrôle de la concentration d'O2 dans la présente batterie démontre précisément les capacités thérapeutiques potentielles contre les maladies causées par l'agrégation d'oxygène ou les bactéries pathogènes. En outre, les catalyseurs de la cathode des piles au Na-O2 peuvent réduire les radicaux superoxydes qui causent la démence sénile, ce qui met en évidence les applications potentielles dans ces domaines également. 

Ainsi, bien que de nombreux défis doivent encore être relevés, la batterie Na-O2 (sodium-oxygène) est "très prometteuse et peut déclencher une nouvelle révolution dans le domaine des dispositifs implantables, conduisant au développement de nouvelles méthodes pour le traitement de diverses maladies", selon l'étude.

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Solutions biotechnologiques portables en cours de développement  

La technologie portable concerne principalement les appareils électroniques portés sur le corps pour surveiller les mesures. Aujourd'hui, ces dispositifs font progresser un large éventail d'industries, de la médecine au sport, en passant par la fintech, la fabrication et bien plus encore.

Dans l'industrie du sport, les dispositifs portables fournissent aux athlètes des données en temps réel et un retour d'information sur leurs performances. Les lunettes de soleil, les chaussures et les vêtements intelligents utilisent des capteurs pour suivre et contrôler la fréquence cardiaque, les pas et l'activité physique, entre autres mesures. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour apporter des améliorations dans des domaines particuliers et ajuster les plans de remise en forme et d'entraînement en conséquence. 

Dans le secteur manufacturier, ces dispositifs contribuent à garantir la sécurité sur le lieu de travail en fournissant des alertes et des informations en temps réel sur les situations potentiellement dangereuses. Par ailleurs, en suivant l'efficacité et la productivité des travailleurs, ils permettent d'identifier les domaines à améliorer et d'apporter les ajustements nécessaires aux flux de travail.

C'est toutefois dans le secteur des soins de santé que la technologie portable, via des dispositifs tels que les smartwatches, les trackers de fitness, les biocapteurs, les tensiomètres et les moniteurs d'électrocardiogramme (ECG), est en train de bouleverser la donne. 

Les dispositifs portables permettent aux utilisateurs de collecter leurs propres données de santé et, sur cette base, de prendre des mesures. Les professionnels de la santé peuvent atténuer les situations potentiellement mortelles grâce à la surveillance en temps réel des patients, qui est facilitée par les dispositifs portables. 

Ces dispositifs suivent et contrôlent les signes vitaux et les données de santé, ce qui permet aux médecins et aux soignants de détecter les problèmes de santé potentiels et d'intervenir en temps utile. Ils fournissent également aux chercheurs et aux médecins des informations précieuses pour faire avancer la recherche clinique et développer de nouvelles thérapies et de nouveaux traitements.

Par ailleurs, les prestataires et les assureurs peuvent utiliser ces appareils pour proposer des plans de santé plus précis et plus personnalisés. Les organisations les utilisent également pour encourager les employés à adopter des habitudes saines.

Dans le secteur des biotechnologies, les "wearables" permettent une surveillance non invasive de l'état physiologique ainsi que de l'état de la maladie et de l'exposition aux toxines. Ils peuvent être d'une grande aide pour la médecine de précision en permettant aux chercheurs et aux scientifiques d'identifier tout effet secondaire potentiel. En outre, ils permettent de connaître les conditions environnementales, telles que la température et la qualité de l'air, afin d'étudier leurs effets sur les systèmes biologiques. 

Voyons maintenant quelques entreprises qui développent des solutions portables. 

#1. Acquisition de Fitbit par Google 

Ce nom est assez connu dans l'industrie du vêtement pour ses trackers de fitness qui surveillent diverses mesures de santé telles que les niveaux d'activité, la fréquence cardiaque et les habitudes de sommeil. Elle propose en outre une plateforme de coaching qui offre des solutions pour les chercheurs, les systèmes de santé et le bien-être en entreprise. Fitbit se concentre principalement sur la remise en forme des consommateurs et a conclu des partenariats avec des entreprises du secteur de la santé.

Au début de l'année, Fitbit, filiale de Google, a conclu un partenariat avec la société de tests de laboratoire Quest Diagnostics afin d'étudier comment les technologies portables peuvent améliorer la santé métabolique et éventuellement prévenir des maladies telles que les accidents vasculaires cérébraux, le diabète et la démence, entre autres. Un autre partenariat a été conclu avec ViviHealth pour l'analyse prédictive et prescriptive afin de transformer les centres de santé comportementale.

Google est une société dont la capitalisation boursière est de $1,9 trillion et dont l'action s'élève à $153,16, en hausse de 9,5% depuis le début de l'année. Le chiffre d'affaires de la société (TTM) a été de $307,39 milliards, le BPA (TTM) de 5,80, et le P/E (TTM) de 26,41.

#2. Garmin 

L'entreprise produit des dispositifs portables pour les activités de remise en forme, avec des fonctions de surveillance de la fréquence cardiaque, des niveaux de stress et même de l'oxymétrie de pouls. Sa série Venu permet de suivre les habitudes corporelles et la qualité du sommeil et s'associe aux smartphones Android et Apple pour plus de commodité. Grâce à ses appareils, Garmin aide les utilisateurs à atteindre leurs objectifs de santé et vise à améliorer la santé globale de la société, à promouvoir le bien-être et à réduire la consommation de soins de santé.

L'entreprise a débuté il y a trois décennies avec ses produits de navigation GPS de pointe destinés à l'industrie aéronautique, avant de s'étendre aux marchés de la marine, de l'automobile, des activités de plein air et de la remise en forme. Elle se concentre actuellement sur l'expansion du marché indien et sur la conquête de la base de consommateurs de la "classe moyenne" en pleine expansion.

#3. Laboratoires Abbott

L'entreprise développe divers dispositifs médicaux, y compris des technologies portables. Cela inclut FreeStyle Libre, un petit capteur circulaire attaché à la partie supérieure du bras qui fournit des mesures de glucose en temps réel aux personnes atteintes de diabète afin de les aider à gérer leur maladie plus efficacement. Ce capteur de glucose portable, leader sur le marché, compte plus de 5 millions d'utilisateurs dans le monde.

Outre le diabète, la société basée dans l'Illinois fournit également des services dans le domaine du mouvement physique et de la cardiologie. Avec une capitalisation boursière de $193,62 milliards, les actions de la société se négocient à $111,56, en hausse de 1,53% depuis le début de l'année. Le chiffre d'affaires de la société (TTM) a été de $40,10 milliards, le BPA (TTM) de 3,27, et le P/E (TTM) de 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

BioTelemetry, qui fait désormais partie de Philips, fournit des systèmes de surveillance médicale à distance, notamment des dispositifs portables pour la surveillance cardiaque. Ces capteurs portables suivent en temps réel les anomalies du rythme cardiaque et d'autres paramètres cardiaques. Fin 2020, Philips a acquis BioTelemetry dans le cadre d'une transaction de $2,8 milliards d'euros.

Conclusion

Le marché des technologies portables est en plein essor. devrait dépasser $118 milliards d'euros d'ici à 2026. Après tout, les "wearables" font leur entrée dans un large éventail d'industries, allant de la remise en forme, de l'éducation et du divertissement aux voyages et à la mode. 

Cependant, avec l'augmentation des préoccupations en matière de santé, les dispositifs portables ont un impact significatif sur nos habitudes, notre santé et notre vie. Bien que ces appareils soient de plus en plus sophistiqués, le problème de la batterie doit être résolu. 

Comme nous pouvons le voir ici, des études sont menées pour prolonger la vie des dispositifs portables et les aider à lutter contre des maladies telles que le cancer. À l'avenir, les avancées technologiques et la recherche permettront aux wearables de fournir des soins encore plus personnalisés et d'améliorer considérablement les résultats pour les patients.

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