Soutenance mémoire
Conséquences de la perte des fonctions rénales
Les reins possèdent trois fonctions principales :
• une fonction d’épuration des déchets du métabolisme azoté ;
• une fonction de régulation de l’équilibre hydro-électrolytique ;
• une fonction endocrine associée à une fonction de régulation du métabolisme phosphocalcique.
Conséquences de la perte de fonction d’excrétion du métabolisme azoté
Le rein est la voie principale d’excrétion des déchets métaboliques non volatils, certains d’entre eux étant potentiellement toxiques. C’est le cas par exemple pour l’urée, la créatinine et l’acide urique. Ces métabolites s’accumulent dans le plasma et dans les tissus proportionnellement à la réduction de la masse fonctionnelle de néphrons [2]. La fonction épuratrice des reins pour chacune de ces trois substances est mesurée par sa clairance, c’est à dire par le rapport entre le poids de substance éliminée par minute dans l’urine et le poids de cette même substance contenue dans 1 ml de plasma [4].
L’urée est le plus important des métabolites azotés. Sa concentration est égale dans tous les liquides de l’organisme (au sein des globules ou du plasma) et diffuse librement à travers les parois cellulaires. Elle résulte de la dégradation des métabolites azotés issus du catabolisme cellulaire. Son élimination est essentiellement rénale. Les valeurs normales de concentration chez l’adulte sont comprises entre 0,2 et 0,6 g/L (soit 3,3 et 10 mmol/L). Tant que cette concentration plasmatique reste inférieure à 3 g/L (soit 50 mmol/L), l’urée n’exerce aucun effet toxique. Au-delà de ce taux, le patient peut être atteint de troubles digestifs et neurologiques .
La créatinine est le produit final du métabolisme de la créatine dans les cellules des mammifères. L’analyse du taux de créatinine est utilisée pour le diagnostic des fonctions rénales, de la thyroïde et du muscle, et est très importante dans le traitement par dialyse externe. La concentration normale chez l’homme est de 10 mg/L (soit 88,4 µmol/L) tandis qu’elle est de 100 mg/L (885 µmol/L) chez l’insuffisant rénal avancé. La créatinine est un témoin du dysfonctionnement rénal beaucoup plus fidèle que l’élévation du taux d’urée sanguine car sa production est relativement indépendante de l’alimentation. Son élimination est aussi essentiellement rénale. Au-delà de 600µmol/L il est souhaitable de créer un abord vasculaire ; on évite ainsi de léser le réseau vasculaire par des prises de sang ou des perfusions inopportunes. Une intervention chirurgicale permet de brancher directement une veine superficielle de bonne qualité sur une artère proche .
Le domaine de concentration de la créatinine dans le sérum plasma est de [35- 140µmol/L].
L’acide urique tout comme la créatinine est dépourvu de toxicité mais son accumulation occasionne des crises de goutte lorsqu’il se dépose sous forme de cristaux dans les articulations. Il résulte de la dégradation naturelle des acides nucléiques.
Conséquences de la perte des fonctions de régulation hydro-électrolytique
Outre la fonction d’élimination des déchets azotés, le rein assure aussi le maintien des volumes des fluides de l’organisme (eau et compartiments hydriques) ainsi que le maintien du bilan (quantité) et de la composition (concentration) ionique d’un grand nombre d’ions monovalents, divalents ou trivalents : Na+ , K+ , Ca2+, Mg2+, Cl- , Li+ , H+ , CO3- , PO4 3-. Cette fonction, dite homéostasique, est assurée par la filtration glomérulaire [7]. L’état d’hydratation d’un organisme implique qu’il ne doit pas y avoir plus de perte d’eau que de gain : l’apport d’eau doit être égal à sa déperdition. L’apport d’eau est d’environ 2,5 l par jour chez un adulte et l’essentiel provient des liquides ingérés (60%) et des aliments (30%). La déperdition d’eau s’opère par plusieurs voies mais la quantité la plus élevée est excrétée par les reins dans les urines (60%). Une relation bien précise existe entre quantité d’eau et quantité de particules dissoutes dans l’eau : chez un sujet normal, l’osmolarité des liquides organiques varie entre 180 et 300 mmol/kg. Des variations de l’osmolarité déclenchent des réponses affectant l’équilibre hydrique. Parmi les particules des liquides organiques, des sels minéraux pénètrent dans l’organisme via les aliments solides et l’eau. Les électrolytes sont issus de la dissociation des sels, acides et bases mais le terme d’équilibre électrolytique désigne classiquement l’équilibre des ions inorganiques dans l’organisme. Lorsque le nombre de néphrons devient inférieur à 5 % du nombre normal, les reins ne s’adaptent plus ; l’hémodialyse est alors indispensable pour réguler l’eau et les électrolytes tels que le potassium et le sodium.
L’eau : En dehors de la diurèse résiduelle, le plus souvent inférieure à un litre par jour et parfois nulle, l’eau accumulée entre deux dialyses ne peut être éliminée que par l’ultrafiltration effectuée lors de la dialyse suivante. Toute ingestion excessive de liquide conduit à une inflation immédiate du capital hydrique de l’organisme. Cette non élimination de l’eau entraîne par voie de conséquence une prise de poids entre deux dialyses.
Le sodium : Le problème est le même que pour l’élimination de l’eau. Dans le cas où les reins n’assureraient plus les fonctions de régulation hydro-électrolytique, la plus grande partie du sodium ingéré entre deux dialyses doit être éliminée par ultrafiltration au cours de la dialyse suivante. Toutefois son élimination doit être contrôlée afin d’éviter les crampes, les céphalées et les chutes de tensions (hyponatrémie).
Le potassium : Sa concentration est relativement faible. Le potassium apporté par les aliments augmente rapidement la concentration de cet ion dans le secteur extra cellulaire et peut aboutir à une hyperkaliémie. L’élimination urinaire étant très faible, le potassium doit être soustrait par les dialyses. Toutefois son élimination doit être contrôlée afin d’éviter des troubles cardiaques (kaliémie).
Conséquences de la perte des fonctions endocrines et des fonctions du métabolisme phosphocalcique
Chez l’insuffisant rénal, il peut exister une modification du système Rénine Angiotensine provoquant une sécrétion excessive de rénine par le rein, qui induit une hypertension artérielle [7]. De même on peut observer un défaut de production ou d’activation de l’érythropoïétine, hormone stimulant la synthèse médullaire des globules rouges dont le déficit entraîne une anémie.
Les désordres phosphocalciques sont fréquents et liés à une diminution de l’absorption intestinale du calcium par l’intermédiaire de la vitamine D dont le métabolisme actif n’a pas été hydroxylé. A long terme, les hypocalcémies et les hyperphosphorémies entraîneront des décalcifications et des lésions osseuses.
Critère de décision de l’hémodialyse
L’insuffisance rénale peut être due à des maladies du rein ou à la conséquence de pathologies telles que l’hypertension artérielle ou le diabète. Ce dysfonctionnement rénal entraîne par une succession de conséquences complexes, des complications cardiovasculaires, hématologiques, neurologiques et ostéo-articulaires qui nécessitent un traitement spécifique : la greffe ou l’hémodialyse périodique. L’hémodialyse est nécessaire lorsque l’insuffisance rénale chronique est parvenue à son stade ultime. Ce stade est défini par un abaissement de la filtration glomérulaire résiduelle au dessous de 5 mL/min, ce qui correspond à une diminution du nombre de néphrons restants à moins de 5% de leur nombre initial. La filtration glomérulaire peut être calculée, au stade évolué de l’insuffisance rénale, comme la moyenne de la clairance de l’urée et de celle de la créatinine, mesurées sur les urines des 24 heures. En pratique chez l’adulte, ce stade correspond à une créatinémie de 1100 à 1300 µmol/L (soit 130 à 150 mg/L). Il est souhaitable de créer une fistule artério veineuse dès que la créatinémie atteint 600 à 800 µmol/L (70 à 90 mg/L) et même plus tôt chez les femmes et les sujets âgés [2]. Cette fistule, placée grâce à une intervention chirurgicale, permet de brancher directement une veine superficielle de bonne qualité sur une artère proche.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art
Introduction
I. Les fonctions rénales
I.1. L’excrétion des déchets
I.2. La structure des reins
I.2.1. Le néphron : unité fonctionnelle
I.2.2. La filtration glomérulaire
I.3. Conséquence de la perte des fonctions rénales
I.3.1. Conséquence de la perte des fonctions d’excrétion du métabolisme azoté
I.3.2. Conséquence de la perte des fonctions de régulation hydro-électrolytique
I.3.3. Conséquence de la perte des fonctions endocrines et des fonctions du métabolisme phosphocalcique
I.4. Critère de décision de l’hémodialyse
II. Principes physico-chimiques de l’hémodialyse
II.1. Description du système
II.2. Surveillance du patient hémodialysé
II.2.1. Surveillance lors d’une séance
II.2.2. Surveillance à long terme de l’hémodialyse
III. Contexte du projet
III.1. Problématique du suivi de l’hémodialyse
III.2. Solutions développées
III.3. Développement de la société HEMODIA
III.3.1. Cahier des charges
III.3.2. Développement du MIMESIS et du MIMEDIA
III.3.3. Projet MICROMEDIA
III.4. Marché potentiel
III.4.1. Evaluation qualitative des marchés
III.4.2. Evaluation quantitative des marchés visés
IV. Développement des capteurs chimiques à effet de champs (ChemFETs)
IV.1. Electrodes à ions spécifiques
IV.2. Principes de fonctionnement des ChemFETs
IV.3. Principe physico-chimique de détection
IV.4. Détermination du potentiel chimique ψ
IV.4.1. Etude de l’interface Solide-Electrolyte
IV.4.2. Interface Electrolyte/Isolant/Silicium (EIS)
IV.5. Méthode de mesure
V. Avantages et inconvénients des ChemFETs
V.1. Avantages des ChemFETs
V.2. Inconvénients des ChemFETs et solutions proposées
VI. Utilisation des ChemFETs dans le cadre de l’hémodialyse
VI.1. Détection des ions sodium et potassium
VI.2. Détection de l’urée et de la créatinine
Chapitre II :Conception et réalisation technologique des capteurs chimiques ChemFETs
Introduction
I. Principe de l’ISFET-REFET
II. Conception de l’ISFET
II.1. Etude théorique sur substrat de type P
II.2. Cahier des charges de la structure réelle
II.3. Détermination des paramètres technologiques et simulations
II.3.1. Choix de la grille
II.3.2. Détermination de la tension de seuil pour un substrat de type P
II.3.3. Etude de la concentration surfacique (Na) en fonction de l’implantation
II.3.4. Choix du substrat
II.3.5. Optimisation des contacts P+ et N+
II.3.6. Détermination des paramètres géométriques de la grille
II.3.7. Tableau récapitulatif des paramètres simulés
II.3.8. Simulation du procédé technologique (ATHENATM)
II.3.9. Simulation électrique (ATLASTM)
III. Description du procédé de fabrication ISFET
IV. Caractérisation du procédé de fabrication ISFET
V. Assemblage et encapsulation
V.1. Présentation de l’encapsulation
V.2. Description des différentes étapes de l’assemblage
V.2.1. Assemblage de la puce sur le circuit imprimé
V.2.2. Connexions électriques
V.2.3. Enrobage du capteur
V.3. Résultats obtenus sur l’encapsulation
VI. Réalisation des couches sensibles
VII. Conclusion
Chapitre III :Caractérisation électrique et chimique des capteurs
Introduction
I. Méthode de caractérisation
I.1. Appareils de mesures
I.2. Méthode de caractérisation
I.3. Préparation des solutions
II. Caractérisation des MOSFET
II.1. Effet de la polarisation du drain
II.2. Effet de la tension de commande Vgs
II.3. Effet de la polarisation du caisson
III. Caractérisation des ISFETs
III.1. Fonctionnement des transistors ISFETs
III.2. Effet de la polarisation du caisson
III.3. Effet des électrodes
IV. Caractérisation chimique
IV.1. Sensibilité au pH
IV.2. Stabilité, temps de réponse et durée de vie des capteurs
IV.2.1. Temps de réponse et stabilité
IV.2.2. Durée de vie
IV.3. Reproductibilité des mesures
IV.4. Reproductibilité du procédé technologique
IV.5. Perturbations extérieures
IV.5.1. Effet des paramètres extérieurs
IV.5.2. Effet des ions influents : sodium et potassium
IV.5.3. Mesure en dynamique
V. Détection enzymatique
V.1. Mesures effectuées par l’IFOS
V.2. Mesure de l’urée
V.3. Mesure de la créatinine
VI. Conclusion
Conclusion générale
Références Bibliographiques
Annexes
