DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes de génération d'oxygène.

L'invention concerne un dispositif passif pour générer du dioxygène.

L'invention concerne également un procédé de génération de dioxygène mettant en œuvre un tel dispositif.

L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment pour la fabrication de capteurs immergés fonctionnant à l'aide d'une pile à combustible ou encore dans le domaine médical.

L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de générer du dioxygène de manière passive sur de longues durées (typiquement plusieurs mois).

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Actuellement, pour éviter des rejets immunologiques de cellules transplantées, pour alimenter des cellules en O2 lors d'une transplantation ou encore lors du transport d'organes en vue d'une transplantation, des dispositifs miniaturisés générant du dioxygène sont utilisés.

Par exemple, dans le document WO 2013/023013 Al, des microcapsules formées d'une membrane semi-perméable contenant des cellules vivantes, des particules génératrices d'oxygène, ainsi qu'un milieu aqueux ou un hydrogel, sont utilisées pour éviter des rejets immunologiques de cellules transplantées. La membrane semi- perméable permet, par exemple, le passage des nutriments ou de molécules biologiquement actives depuis l'extérieur vers l'intérieur de la microcapsule et le passage d'agents actifs sécrétés par les cellules vivantes de l'intérieur vers l'extérieur de la microcapsule. La membrane est, par exemple, en polyamine. Les particules génératrices d'oxygène contiennent un polymère biodégradable ainsi qu'un peroxyde d'hydrogène, un peroxyde inorganique ou un composé comprenant du peroxyde d'hydrogène. Par exemple, il peut s'agir de peroxyde de calcium, de peroxyde de magnésium, de peroxyde de sodium, de percarbonate de sodium, de benzylpéroxyde ou de leurs combinaisons. Il est possible de générer un flux de dioxygène sur 6 jours, en utilisant 1500 capsules à base de CaÜ ₂ ou Mg0 ₂ . Cependant, le flux obtenu est discontinu.

Dans le document WO 2017/024076 Al, des microcapsules d'alginate de 250 à 600 pm de diamètre, contenant un perfluorocarbure (PFC) ainsi qu'une substance générant de l'oxygène au contact de l'eau peuvent servir à alimenter des cellules en O ₂ lors d'une transplantation. La substance générant de l'oxygène est, par exemple, choisie parmi un peroxyde inorganique, comme du calcium peroxyde, et un percarbonate inorganique, tel que le sodium percarbonate. Les microcapsules sont fabriquées à partir d'une solution aqueuse d'alginate. La génération de dioxygène est étudiée sur des durées allant jusqu'à 2h.

Dans le document WO 2018/187831 Al, un substrat pour des cellules, des tissus et/ou des organes est décrit. Le substrat comprend un matériau générant de l'oxygène au contact de l'eau ainsi qu'une membrane perméable à l'eau et au dioxygène. L'eau diffuse à travers la membrane jusqu'au matériau qui génère de l'oxygène, qui diffuse à son tour à travers la membrane jusqu'à l'extérieur du dispositif. Ce matériau peut être un peroxyde métallique, tel que le peroxyde de sodium Na _2Û2 , du peroxyde de calcium ou du peroxyde d'urée. La génération de dioxygène est étudiée sur des durées allant jusqu'à 400 min.

Finalement, dans le document WO 2007/134304 Al, une composition pouvant générer de l'oxygène est décrite. Cette composition comprend un fluide hydrophobe ainsi que des nanoparticules de peroxyde pouvant générer, au contact de l'eau, de l'oxygène ou un peroxyde d'hydrogène. L'eau diffuse à travers le fluide hydrophobe jusqu'aux nanoparticules. Les nanoparticules de peroxyde peuvent être en un peroxyde inorganique (par exemple un peroxyde de sodium), un peroxyde d'hydrogène-urée (UHP) ou encore un percarbonate de sodium Na ₂ C0 ₃ .1,5H ₂ 0 ₂ . La composition peut être encapsulée dans une membrane permettant, d'une part, le passage de l'eau depuis l'extérieur jusqu'aux nanoparticules et, d'autre part, le passage de l'oxygène ou du peroxyde d'hydrogène formé au sein de la membrane vers l'extérieur. La génération de dioxygène est également réalisée sur de courtes durées (de l'ordre de 200 minutes). Ces différents dispositifs génèrent de l'oxygène par hydrolyse à partir d'eau provenant du milieu extérieur et diffusant à travers une membrane ou à travers un fluide hydrophobe jusqu'à des nanoparticules/microcapsules particulières. Ce fonctionnement permet le contrôle du débit d'0 ₂ .

Néanmoins, les débits d'oxygène sont liés à des cinétiques d'échanges de surface pour permettre, en premier, la diffusion de molécules d'eau puis la diffusion du dioxygène. Les cinétiques dépendent donc, d'une part, de la taille de ces nanoparticules/microcapsules et, d'autre part, de l'état d'avancement des réactions. Ceci entraîne des débits non constants et des temps de réaction relativement courts (typiquement inférieur à une semaine voire inférieure à une journée). La corrélation entre le débit d'oxygène et la forme des matériaux générant l'oxygène, empêche une utilisation de ces dispositifs pour des applications longues durées (supérieures à un mois, voire supérieures à un an) et/ou nécessitant des débits constants en O ₂ .

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif passif permettant la génération d'un flux continu (avec une valeur nominale de ±10%) d'oxygène, de préférence, sur des périodes de plusieurs mois voire de plusieurs années.

Pour cela, la présente invention propose un dispositif passif de génération de O ₂ comprenant une enceinte munie de parois, étanches à l'eau et au dioxygène, et d'un élément d'évacuation, permettant l'évacuation de dioxygène, et empêchant la pénétration d'eau au sein de l'enceinte, l'enceinte comprenant, en outre, du percarbonate de sodium (SPC) de formule Na ₂ C0 ₃ .1,5H ₂ 0 ₂ et de l'eau avec un rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) supérieur ou égal à 0 et inférieur ou égal à 1.

Par paroi étanche, on entend que l'eau et les gaz ne peuvent pas traverser les parois de l'enceinte. L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par l'intégration de percarbonate de sodium (SPC). Le SPC peut être préhydraté de manière à contenir initialement la quantité d'eau nécessaire à la génération et à la régulation du flux d'oxygène. Le dispositif fonctionne de manière passive.

Le dispositif est basé sur :

- des réactions de thermolyse (rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) égal à 0),

OU

- des réactions de thermolyse et d'hydrolyse (rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) strictement supérieur à 0).

De plus, avec une telle quantité d'eau initialement présente dans l'enceinte (rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) supérieur ou égal à 0 et inférieur ou égal à 1), on peut :

- générer un flux d'oxygène constant (avec une valeur nominale de ±

10%),

- déterminer la valeur de ce flux en fonction du ratio molaire,

- fixer la durée de ce flux en fonction des quantités initiales utilisées.

Au contraire, dans l'art antérieur, l'apport d'eau au système de génération d'oxygène provient d'une source externe par diffusion à travers une membrane semi-perméable. Ceci ne permet pas de contrôler précisément l'apport d'eau et donc de générer un flux constant et/ou sur de longues durées.

Avantageusement, l'élément d'évacuation est un capillaire, ce qui évite la diffusion d'eau hors de l'enceinte.

Selon une variante de réalisation avantageuse, l'élément d'évacuation contient un matériau hydrophobe, ce qui évite la diffusion d'eau provenant de l'extérieur dans le réservoir (diffusion à contre-flux par rapport à l'oxygène). Cela évite également l'évacuation d'eau hors de l'enceinte.

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, l'élément d'évacuation comporte une membrane semi-perméable. Par semi-perméable, on entend que les liquides (en particulier l'eau) ne peuvent pas diffuser à travers la membrane et que les gaz (en particulier le dioxygène) peuvent diffuser à travers la membrane. Avantageusement, la membrane semi-perméable est en polyfluorure de vinylidène (ou PVDF pour « PolyVinyliDene Fluoride ») ou en polyétherimide (PEI).

Avantageusement, l'enceinte comprend un matériau hydrophile. Avantageusement, le matériau hydrophile est une zéolithe ou un polymère.

Avantageusement, la plus grande dimension de l'enceinte est inférieure à 5cm.

Selon une variante de réalisation avantageuse, le rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) est strictement supérieur à 0.

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, le rapport molaire n(H ₂ 0)/n(SPC) est égal à 0.

Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages :

- un flux continu et constant d'oxygène est assuré,

- le système s'affranchit des problématiques de cinétiques d'échanges de surface, ce qui libère la contrainte sur la taille des éléments (particules/capsules) libérant GO ₂ , et permet donc d'utiliser des quantités de matière plus importantes, et donc d'adresser des applications nécessitant des débits d'oxygène sur de longues périodes (typiquement supérieures à un mois).

L'invention concerne également un procédé de génération de O ₂ comprenant les étapes successives suivantes :

- fournir un dispositif passif de génération de O ₂ tel que défini précédemment,

- chauffer ou refroidir le dispositif à une température supérieure ou égale à 0°C et inférieure à 107°C, moyennant quoi on forme du dioxygène.

Selon une première variante de réalisation, la température est supérieure ou égale 32°C et inférieure à 107°C, par exemple de 32°C à 45°C, ou de 34°C à 53°C ou de 36°C à 40°C, moyennant quoi on forme du dioxygène et Na ₂ C0 ₃ .1H ₂ 0 et/ou Na C0 ₃ .7H 0.

Selon une autre variante de réalisation, la température est la température ambiante (20-25°C). De préférence, le dispositif est chauffé à une température allant de 36°C à 40°C.

L'invention concerne également un procédé d'oxygénation d'un tissu, d'un organe et/ou de cellules ayant été extraits d'un corps humain ou d'un corps animal, comprenant les étapes successives suivantes :

- positionner dans un même contenant un tissu, un organe et/ou des cellules ayant été extraits d'un corps humain ou d'un corps animal et un dispositif tel que défini précédemment,

- chauffer ou refroidir le contenant à une température supérieure ou égale à 0°C et inférieure à 107°C, moyennant quoi on forme du dioxygène.

De préférence, la température est supérieure ou égale 32°C et inférieure à 107°C, par exemple de 32°C à 45°C, ou de 34°C à 53°C, moyennant quoi on forme du dioxygène et Na2C03.1H20 et/ou Na2C03.7H20.

Encore plus préférentiellement, la température va de 36°C à 40°C.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.

Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente de manière schématique un dispositif de génération d'oxygène selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

La figure 2 est un graphique représentant le flux d'Ü2 pendant 25 jours à 40°C d'un mélange SPC/H2O contenant différentes quantités d'eau, selon différents modes de réalisation de l'invention. La figure 3 est un graphique représentant le volume d'0 ₂ pendant 80 jours pour un mélange H2O/SPC dont le rapport molaire est de 0,3 selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

La figure 4 est un graphique représentant le volume d'02 pendant 52 jours à 38°C pour un composé SPC anhydre, selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

La figure 5 est un graphique représentant le volume d'Ü2 par gramme de SPC pendant 25 jours pour un composé SPC anhydre, et pour deux mélanges SPC/H2O contenant différentes quantités d'eau, selon différents modes de réalisation de l'invention.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Bien que cela ne soit aucunement limitatif, l'invention est particulièrement intéressante pour des applications nécessitant un dispositif miniaturisé pouvant générer de faibles débits d'Ü2, constants, sur de longues périodes de manière passive.

L'invention trouve des applications dans le domaine médical ou encore dans le domaine des capteurs immergés fonctionnant à l'aide d'une pile à combustible.

On se réfère tout d'abord à la figure 1 représentant un dispositif de génération de O2.

Le dispositif permettant de générer passivement du dioxygène comprend une enceinte 1 dans lequel est disposé le matériau 2 générant le dioxygène et de l'eau.

Le matériau 2 générant le dioxygène est le percarbonate de sodium

(SPC) de formule

Na2C03.1,5H202. Le rapport molaire H2O/SPC va de 0 à 1. De préférence, il est strictement supérieur à 0. Le percarbonate de sodium se décompose par thermolyse et/ou par hydrolyse.

La décomposition par thermolyse est activée thermiquement. Elle est réalisée selon l'équation (1) :

Le peroxyde d'hydrogène H2O2 formé lors de la thermolyse se décompose ensuite instantanément selon la réaction (2) :

La réaction (1) de thermolyse est l'étape limitante cinétiquement.

En fonction de la température de travail, l'eau produite par la décomposition du peroxyde d'hydrogène (réaction (2)) vient ensuite hydrater le sous- produit Na2CÜ3 issu de la thermolyse, pour former des composés de formule Na2C03.xH20 et/ou hydrolyser le composé SPC. La réaction globale (3) associant thermolyse et réhydratation des sous-produits de la thermolyse est :

Avec x allant de 0 à 1,5 puisque la quantité d'eau générée par la réaction (2) implique une valeur maximale de x = 1,5.

Les équilibres thermodynamiques du composé Na2C03.xH20 ont été décrits par Gronvold et al. (« Thermodynamic properties and phase transitions of sait hydrates between 270 and 400 K II. Na2CÛ3 · H2O and Na2CÛ3 · IOH2O », J. Chem. Thermodynamics 1983, 15, 881-889) :

- pour une température T < 32°C, x=10

- pour une température 32°C < T < 38°C, x=7

- pour une température T > 38°C, x=l.

A une température inférieure à 32°C, le composé est Na ₂ CO ₃ .10H ₂ O. On est en présence d'une thermolyse pure car l'eau est entièrement consommée. A une température oscillant autour de 38°C, on peut retrouver un mélange de composés Na ₂ C0 ₃ .1H ₂ 0 et Na ₂ C0 ₃ .7H ₂ 0. On peut avoir une hydrolyse et une thermolyse.

Pour les températures supérieures à 38°C, x=l, donc l'eau libre générée par la réaction (3), soit 0,5 H ₂ O va hydrolyser le composé SPC. A ces températures, on a donc une décomposition du SPC via une hydrolyse et une thermolyse.

A une de température de 107°C, x=0 et on obtient du Na ₂ CÜ ₃ anhydre.

La décomposition du SPC par hydrolyse est réalisée selon l'équation (4) :

Na ₂ C0 ₃ .l,5H ₂ 0 ₂ + yH ₂ 0 => Na ₂ C0 ₃ .xH ₂ 0 + (l,5+y-x)H ₂ 0 + 0,75O ₂ ¾4)

On retrouve ici les mêmes équilibres thermodynamiques que ceux décrit précédemment pour la thermolyse.

Dans le cas d'une intégration dans un élément dont la température oscille autour de 38°C, le sous-produit Na ₂ C0 ₃ .xH ₂ 0 est une combinaison de Na ₂ C0 ₃ .1H ₂ 0 et Na ₂ C0 ₃ .7H ₂ 0. Par conséquent, en n'apportant pas d'eau (y=0) ou en apportant peu d'eau supplémentaire (typiquement y<l, il n'y a pas de phase aqueuse), il est possible de maintenir un flux d'0 ₂ continu. L'eau générée ou intégrée à l'état initial vient hydrater le Na ₂ C0 ₃ et ne se retrouve pas à l'état d'eau libre. Une réaction d'hydrolyse autour de 38°C peut également avoir lieu.

Le matériau générateur de dioxygène 2 est intégré dans une enceinte 1. L'enceinte 1 est une enceinte dont la seule ouverture est un élément d'évacuation 3 (aussi appelé sortie de gaz) pour assurer la diffusion de l'oxygène depuis l'intérieur de l'enceinte vers l'extérieur de l'enceinte. L'élément d'évacuation 3 empêche la sortie d'eau sous forme liquide.

L'élément d'évacuation 3 est, de préférence, un capillaire. Le capillaire a un diamètre externe et un diamètre interne. Le diamètre interne est, de préférence, inférieur à lOOpm. Il va, par exemple, de 10 à 50pm.

L'enceinte 1 comprend plusieurs parois étanches aux liquides (notamment à l'eau) et, de préférence, aux gaz.

Selon une première variante de réalisation avantageuse, un matériau hydrophobe est positionné au niveau de l'élément d'évacuation 3 pour éviter l'introduction d'eau depuis l'extérieur de l'enceinte 1 vers l'intérieur de l'enceinte 1. On pourra, par exemple, choisir comme matériau hydrophobe du polypropylène (PP), du polyéthylène (PE) ou du polytétrafluoroéthylène (PTFE).

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, une membrane 4 est positionnée au niveau de l'élément d'évacuation 3 pour éviter la diffusion d'eau depuis l'extérieur de l'enceinte 1 vers l'intérieur de l'enceinte 1. La membrane 4 est semi- perméable. De préférence, la membrane 4 semi-perméable est placée à l'intérieur du capillaire. La membrane 4 est, de préférence, en polyétherimide (PEI) ou en polyfluorure de vinylidène (PVDF).

L'enceinte 1 peut, en outre, comprendre un matériau absorbant l'eau ou un dessicant pour capter l'eau résiduelle et limiter/empêcher la réaction par hydrolyse (notamment pour des températures supérieures à 40°C pour lesquelles x est égal à 0 ou x est proche de zéro (typiquement inférieur à 1) ou pour diminuer les flux de dioxygène (pour des températures inférieures à 40°C). Le matériau absorbant l'eau est, par exemple, une zéolithe, un gel de silice, une argile, un tamis moléculaire, du chlorure de calcium, du sulfate de calcium ou un polymère dit absorbant, par exemple un polyacrylate de sodium.

Par matériau absorbant l'eau, on entend un matériau qui peut absorber de 1 à 1000 fois leur masse d'eau, par exemple lg de matériau peut absorber au moins 10g d'eau.

Lorsque le dispositif comprend un matériau absorbant l'eau ou un dessicant et/ou pour des plages de fonctionnement pour lesquelles x est égal à 0 ou proche de 0, le fonctionnement peut être uniquement basé uniquement sur la thermolyse.

Selon un mode de réalisation particulier, le matériau hydrophile peut encapsuler le SPC et/ou l'eau.

Selon un autre mode de réalisation particulier, le matériau hydrophile peut être mélangé avec le SPC et/ou avec l'eau.

Selon un autre mode de réalisation, le matériau hydrophile est positionné dans l'élément d'évacuation 3. L'enceinte 1 peut également être munie d'un réservoir d'eau pour favoriser la réaction d'hydrolyse et ainsi pour augmenter les flux d'0 ₂ . Pour assurer un débit d'Ü2 constant, le flux de libération de l'eau doit lui aussi être constant. Ce réservoir d'eau peut être un gel de silice saturé en eau.

Le procédé de génération de O2 mettant en œuvre un dispositif tel que décrit précédemment comprend au moins une étape au cours de laquelle on met (en le chauffant ou le refroidissant) le dispositif à la température désirée. La température désirée pouvant, par exemple, être comprise entre 0°C et 107°C, moyennant quoi on forme du dioxygène. De préférence, la température est supérieure à 25°C.

Le dispositif est, avantageusement, chauffé à une température supérieure à 32°C, par exemple de 37°C à 38°C.

De préférence, on chauffe le dispositif à une température de 38°C ± 2°C.

Le dispositif peut être incorporé dans un capteur. Il peut s'agir, par exemple, d'un capteur immergé fonctionnant avec une pile à combustible.

Le dispositif peut être en contact avec un élément ou positionné dans un élément dont la température oscille autour de 38°C.

L'invention concerne également un procédé d'oxygénation d'un tissu corporel, d'un organe et/ou de cellules prélevés, comprenant une étape au cours de laquelle on positionne le tissu corporel, l'organe et/ou les cellules prélevés en contact avec le dispositif tel que défini précédemment moyennant quoi le tissu corporel, l'organe et/ou les cellules prélevés sont oxygénées par le dioxygène généré par le dispositif.

Ce procédé d'oxygénation est, par exemple, réalisé à une température allant de 20°C à 41°C, par exemple de 35°C à 41°C ou de 20°C à 40°C, encore plus préférentiellement de 36°C à 40°C et encore plus préférentiellement de 37°C à 39°C.

Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :

Dans ce premier exemple, des composés eau/SPC contenant différentes quantités d'eau (rapport molaire eau/SPC de 7, 3,5 et 0,3) sont placés dans une enceinte 1 étanche. Le flux d'02 a été mesuré pendant 25 jours pour ces différents composés eau/SPC (figure 2). Lorsque la teneur en eau est faible (ratio molaire de 0,3), un débit de 0.5 pL/min/g SPC ±10% a été maintenu pendant 25 jours. Dans un second exemple, l'enceinte 1 contient un mélange H2O/SPC dont le rapport molaire est de 0,3. Le réservoir a les dimensions suivantes : 0.5*2*2 cm (densité SPC = 2.1 ; volume intérieur nécessaire = 1.53 cm ³ ). Un capillaire 3 de diamètre intérieur de 100 microns permet la libération de GO2 vers l'extérieur. Une membrane semi-perméable 4 en polymère poreux type polyfluorure de vinylidène (PVDF) est introduite dans le capillaire 3 pour assurer la diffusion de IΌ2 sans la diffusion d'eau dans l'enceinte 1. Avec 3 g de SPC et 0,1 g d'eau, on génère un débit de 0.5 pL/min/g SPC ±10% pendant 80 jours (figure 3).

Dans un autre exemple, l'évolution de la pression d'Ü2 d'une enceinte 1 contenant un composé SPC anhydre 2 a été observée pendant 52 jours à 38°C (figure 4). L'augmentation de pression continue dans le réservoir correspond à un débit de 30 nL/min/g SPC ±10%. Ce débit est 30 fois plus faible que dans le cas de matériaux pré hydratés.

A partir de ces différents exemples, il a donc été observé que (figure 5) : - dans le cas d'un composé SPC anhydre, un débit constant d'Ü2 est généré à 38°C,

- dans le cas de composés contenant H2O et SPC avec nH ₂ 0/nSPC<l, un débit constant et plus élevé d'Ü2 est généré à 40°C,

- dans le cas de composés contenant H2O et SPC avec nH ₂ 0 /nSPC>l, un débit non constant d'Ü2 est généré à 40°C.