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Les batteries internes pourraient-elles alimenter les wearables de prochaine génération et même combattre le cancer ?
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La technologie portable remodelle notre quotidien depuis un certain temps déjà, et elle ne fera que croître, comme le montre le marché des appareils portables, évalué à 61,30 milliards de dollars en 2022. Cette même année, plus de 490 millions d’unités portables ont été expédiées aux consommateurs.
Portés par l’innovation, les wearables façonnent des tendances qui traversent des secteurs allant de la durabilité environnementale aux soins de santé, où ces électroniques ont transformé la surveillance de la santé, les thérapies, le diagnostic des maladies et la cicatrisation des plaies. Pour fonctionner de manière fiable, ces appareils dépendent de batteries qui sont non seulement biocompatibles mais aussi dotées d’une capacité suffisante.
La majorité des dispositifs implantables sont alimentés par des batteries traditionnelles telles que les batteries Ag‑Zn (argent‑zinc) et Li‑I₂ (lithium‑iode). Cependant, ces batteries conventionnelles ont une capacité limitée et présentent un risque de sécurité lié aux fuites d’électrolyte organique.
Scellées et utilisées pour alimenter les dispositifs implantables, la capacité des batteries Ag‑Zn et Li‑I₂ est limitée par leur masse, ce qui restreint leur durée de vie. C’est là qu’une nouvelle étude propose d’exploiter 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 O₂ et le glucose comme cathodes/anodes, obtenus en continu par le métabolisme, montre de bonnes performances électrochimiques à la fois in vitro et in vivo.
Publiée dans Cell Press, la étude propose des batteries métal‑O₂, qui utiliseront O₂ comme composant actif dans la cathode et seront assemblées avec une anode métallique. Ainsi, elles offriront des densités d’énergie extrêmement élevées, 5 à 10 fois supérieures à celles des batteries implantables actuellement disponibles.
Théoriquement, les batteries Li‑O₂ et sodium‑oxygène (Na‑O₂) offrent des densités d’énergie respectives de 3 458 et 1 605 Wh/kg. Ces valeurs dépassent largement celles 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 Porous Fonctionnels Avancés, Institut des Nouveaux Matériaux Énergétiques & Technologies à Faible Émission de Carbone, École de Science et Génie des Matériaux, Université de Technologie de Tianjin, Chine.
Parmi les autres chercheurs figuraient Shuang Wu et Pingli Wu du Collège de Chimie et Science des Matériaux, Institut des Sciences de la Vie et du Développement Vert, Université du Hebei, Chine ; Shuangyong Sun de l’École de Pharmacie, Université Médicale de Tianjin ; et Yonggang Wang du Département de Chimie et du Laboratoire Clé de Shanghai de Catalyse Moléculaire et Matériaux Innovants, Institut de Nouvelle Énergie, iChEM, Université Fudan, Chine.
L’étude a reçu un soutien financier de la Fondation Nationale des Sciences Naturelles de Chine, du Programme National Clé de Recherche et Développement de 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, autre élément essentiel, est largement présent dans notre corps sous forme de Na⁺. Cette ubiquité fait des batteries métal‑O₂ une perspective prometteuse pour des sources d’énergie constamment rechargées.
Alors que le sodium a été développé comme une anode prometteuse pour les batteries rechargeables, les batteries Na‑O₂ sont particulièrement populaires en raison de leur faible coût, de leurs hautes densités d’énergie théoriques 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 par le foie et les reins, ce qui renforce leur attrait.
Ainsi, les batteries Na‑O₂ peuvent répondre aux exigences d’un approvisionnement continu en matières premières ainsi qu’au métabolisme du produit in vivo.
Ce n’est donc pas la première fois que des chercheurs se concentrent sur les batteries Na‑O₂. En 2018, une étude a souligné leur potentiel grâce à leur haute densité d’énergie théorique et leurs ressources abondantes, 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.
Un autre article de Hossein Yadegari et Xueliang Sun du Département de Génie Mécanique et des Matériaux de l’Université de Western Ontario a noté que les batteries Na‑O₂ sont apparues comme une alternative écoénergétique aux batteries Li‑O₂. Elles reposent sur une chimie du superoxyde réversible, leurs cellules affichant une charge à surpotentiel plus faible comparée à leurs homologues Li, ce qui se traduit par de hautes performances de cyclage.
Cependant, il a souligné que l’interaction entre la paire d’ions est insuffisante pour empêcher l’attaque nucléophile de O₂ contre l’électrolyte de la cellule. De plus, la stabilité intrinsèque de NaO₂ et la réactivité chimique plus élevée du Na métallique posent des défis dans le développement des batteries Na‑O₂. Bien que les rapports sur ces batteries soient relativement rares, les avantages potentiels significatifs des batteries métal‑O₂ implantables soulignent l’importance de relever les défis existants.
La dernière étude souligne la nécessité que les batteries utilisées in vivo possèdent une architecture ouverte, garantissant l’adsorption de O₂ provenant des fluides corporels. De plus, elle insiste sur l’importance de choisir des composants de batterie présentant une bonne biocompatibilité afin d’éviter le rejet et les réactions. En outre, en raison de leur grande réactivité, l’anode à base de Na doit être correctement protégée. La conception de la batterie doit également être flexible pour permettre un contact stable et intime avec les tissus mous.
En conséquence, l’équipe propose une conception novatrice de batterie Na‑O₂ qui utilise un alliage stable à base de Na (NaGaSn) comme anode (d’où l’électricité entre) et un cathode en or nanoporeux (NPG) (où l’électricité sort), séparés par une membrane échangeuse d’ions (Nafion).
Au lieu d’utiliser du Na métallique pur, les chercheurs ont choisi un alliage ternaire NaGaSn afin d’améliorer la sécurité et les propriétés anti-corrosion dans les organismes vivants. Parallèlement, le NPG a été utilisé comme cathode dans les batteries métal‑air pour la réaction de réduction de l’oxygène. Lors de la décharge, l’O₂ est fourni en continu par les fluides corporels et réduit grâce à la catalyse du NPG.
Résultats prometteurs, applications potentielles
Alors que l’électronique implantable gagne en popularité grâce à son potentiel de révolutionner la surveillance personnalisée de la santé et la thérapie de précision, l’importance des batteries implantables augmente en conséquence. Ici, 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 de façon répétée par des interventions chirurgicales, offrant une solution plus durable à long terme.
L’étude a développé avec succès une batterie Na‑O₂ implantable et biocompatible dotée d’une structure de cathode ouverte fonctionnant de manière fluide. Chez les rats, la batterie laminée a atteint une densité de puissance de 2,6 μW/cm² à 1,3 V, démontrant une excellente biocompatibilité in vivo.
Les résultats n’ont montré aucune inflammation significative autour des batteries implantées. De plus, les capillaires se régénèrent bien autour du cathode, fournissant une source continue d’O₂ pour la batterie.
Par ailleurs, le catalyseur du cathode NPG a permis à la batterie d’atteindre une excellente stabilité, ce qui, selon l’étude, fait du NPG le « choix inévitable » comme cathode de la batterie Na‑O₂. La membrane PLCL obtenue par électrofilage a contribué à améliorer la biocompatibilité, et la structure poreuse de la membrane, servant de canaux pour le transport de la masse et de l’électrolyte, a permis la perméabilité du fluide corporel et la diffusion de O₂.
Quant aux ions Na⁺ et OH⁻ produits pendant le processus de décharge, ils sont entrés dans le sang sans provoquer de perturbation de l’électrolyte, et leur métabolisme dans le corps n’a entraîné aucune anomalie au niveau du foie et des reins.
Les résultats de l’étude ont également montré un potentiel prometteur comme source d’énergie pour alimenter les micro‑électroniques implantables. De plus, la consommation d’O₂ provenant des fluides corporels met en évidence les applications potentielles de la batterie Na‑O₂ dans les domaines de la recherche biologique et 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 bio‑électroniques et la biothérapie pour les maladies associées à des environnements anaérobies. »
Ainsi, la batterie Na‑O₂ possède clairement un grand potentiel, mais elle ne se limite pas à alimenter les wearables ; elle peut être utilisée de manière bien plus étendue, notamment dans les applications contre le cancer et la surveillance de la cicatrisation des plaies.
L’étude a également noté que la démence sénile et le cancer sont étroitement liés aux niveaux d’oxygène dans les tissus concernés. Une batterie auto‑rechargeable à l’eau salée récemment rapportée pour la thérapie antitumorale en consommant O₂ ouvre une nouvelle voie pour combiner les implants bioélectroniques et la biothérapie.
Le contrôle précis de la concentration d’O₂ dans la batterie actuelle démontre des capacités thérapeutiques potentielles contre les maladies causées par l’accumulation d’oxygène ou les bactéries pathogènes. De plus, les catalyseurs du cathode des batteries Na‑O₂ peuvent réduire les radicaux superoxydes responsables de la démence sénile, soulignant également leurs applications potentielles dans ces domaines.
Ainsi, bien que de nombreux défis restent à relever, la batterie Na‑O₂ (sodium‑oxygène) est « hautement prometteuse et peut déclencher une nouvelle révolution dans le domaine des dispositifs implantables, menant au développement de nouvelles méthodes de traitement de diverses maladies », a déclaré l’étude.
Solutions wearables biotechnologiques en cours de développement
La technologie portable concerne principalement les appareils électroniques portés sur le corps pour mesurer des paramètres. Aujourd’hui, ces appareils font progresser de nombreux secteurs, de la médecine, du sport et de la fintech à la fabrication et au-delà.
Dans l’industrie du sport, les appareils portables offrent aux athlètes des données et des retours en temps réel sur leurs performances. Les lunettes intelligentes, les chaussures et les vêtements utilisent des capteurs pour suivre et surveiller la fréquence cardiaque, les pas et l’activité physique, entre autres paramètres. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour améliorer des aspects spécifiques et ajuster les programmes de forme et d’entraînement en conséquence.
Dans le secteur manufacturier, ces appareils contribuent à garantir la sécurité au travail en fournissant des alertes et des informations en temps réel sur les situations potentiellement dangereuses. Parallèlement, en suivant l’efficacité et la productivité des travailleurs, ils aident à identifier les domaines à améliorer et à ajuster les flux de travail en conséquence.
C’est toutefois dans le secteur de la santé que la technologie portable, via des appareils tels que les montres intelligentes, les traqueurs de fitness, les biosenseurs, les moniteurs de tension artérielle et les moniteurs d’électrocardiogramme (ECG), provoque une véritable révolution.
Les wearables permettent aux utilisateurs de collecter leurs propres données de santé et, à partir de celles‑ci, d’agir. Les professionnels de santé peuvent atténuer les situations potentiellement mortelles grâce à la surveillance en temps réel des patients, rendue possible par les wearables.
Ces appareils suivent et surveillent les signes vitaux et les données de santé, permettant aux médecins et aux soignants de détecter d’éventuels problèmes de santé et d’intervenir rapidement. Ils offrent également aux chercheurs et aux médecins des informations précieuses pour faire progresser la recherche clinique et développer de nouvelles thérapies et traitements.
Par ailleurs, les prestataires et les assureurs peuvent exploiter ces appareils pour proposer des plans de santé plus précis et personnalisés. Les organisations les utilisent également pour encourager des habitudes saines parmi les employés.
Dans le secteur biotechnologique, les wearables permettent une surveillance non invasive de l’état physiologique ainsi que de l’état de la maladie et des expositions aux toxines. Ils peuvent être d’une grande aide en médecine de précision en permettant aux chercheurs et aux scientifiques d’identifier d’éventuels effets secondaires. De plus, les wearables offrent des informations sur les conditions environnementales, telles que la température et la qualité de l’air, afin d’étudier leurs effets sur les systèmes biologiques.
Passons maintenant en revue quelques entreprises qui développent des solutions wearables.
#1. Fitbit acquis par Google
Il s’agit d’un nom assez connu dans l’industrie des wearables pour ses traqueurs de fitness qui surveillent divers paramètres de santé tels que le niveau d’activité, la fréquence cardiaque et les cycles de sommeil. Il propose également une plateforme de coaching offrant des solutions aux chercheurs, aux systèmes de santé et au bien‑être en entreprise. Fitbit se concentre principalement sur le fitness grand public et s’est associé à des entreprises du secteur de la santé.
Plus tôt cette année, le Fitbit de Google s’est associé à la société de tests de laboratoire Quest Diagnostics (DGX ) pour étudier comment les technologies wearables peuvent améliorer la santé métabolique et éventuellement prévenir des maladies telles que les accidents vasculaires cérébraux, le diabète et la démence, entre autres. Une autre collaboration a eu lieu avec ViviHealth pour des analyses prédictives et prescriptives visant à transformer les centres de santé comportementale.
GOOGL Graphique du prix
Google est une entreprise dont la capitalisation boursière s’élève à 1,9 billion de dollars, avec une action à 153,16 $, en hausse de 9,5 % depuis le début de l’année. Le chiffre d’affaires de la société (TTM) s’élève à 307,39 milliards de dollars, le BPA (TTM) à 5,80 et le ratio P/E (TTM) à 26,41.
#2. Garmin
L’entreprise fabrique des appareils portables pour les activités de fitness, avec des fonctions de surveillance de la fréquence cardiaque, du niveau de stress et même de l’oxymétrie du pouls. Sa série Venu suit les schémas corporels et la qualité du sommeil et se connecte aux smartphones Android et Apple (AAPL ) 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 pour l’industrie aéronautique, avant de s’étendre aux marchés maritime, automobile, outdoor et du fitness. Son objectif actuel est de se développer sur le marché indien et de capter la base croissante de consommateurs de la classe moyenne.
#3. Abbott Laboratories
L’entreprise développe divers dispositifs médicaux, y compris des technologies wearables. Cela comprend le FreeStyle Libre, un petit capteur circulaire fixé au bras supérieur qui fournit des lectures de glucose en temps réel aux personnes diabétiques afin de les aider à gérer leur condition plus efficacement. Le capteur de glucose wearable leader du marché compte plus de 5 millions d’utilisateurs dans le monde.
ABT Graphique du prix
En plus du diabète, l’entreprise basée dans l’Illinois propose également des services liés au mouvement physique et à la cardiologie. Avec une capitalisation boursière de 193,62 milliards de dollars, 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) s’élève à 40,10 milliards de dollars, le BPA (TTM) à 3,27 et le ratio P/E (TTM) à 34,10.
#4. BioTelemetry Inc.
Désormais intégré à Philips, BioTelemetry fournit des systèmes de surveillance médicale à distance, y compris des appareils portables pour la surveillance cardiaque. Ces capteurs wearables 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 de dollars.
Conclusion
Le marché des technologies wearables est en plein essor et devrait dépasser les 118 milliards de dollars d’ici 2026. Après tout, les wearables s’infiltrent dans de nombreux secteurs, du fitness, de l’éducation et du divertissement aux voyages et à la mode.
Cependant, avec la montée des préoccupations sanitaires, les wearables créent particulièrement un impact significatif sur nos habitudes, notre santé et nos vies. Bien que ces appareils deviennent de plus en plus sophistiqués, le problème des batteries reste à résoudre.
Comme nous le constatons, des études sont menées pour prolonger la durée de vie des wearables et les aider à combattre des maladies comme le cancer. À l’avenir, les avancées technologiques et la recherche permettront aux wearables d’offrir encore mieux des soins personnalisés et d’améliorer significativement les résultats pour les patients.
