Soutenance mémoire
Les différentes matrices de micro-électrodes (MEA)
Généralités
En général, une MEA est composée d’un substrat qui peut être rigide ou souple sur lequel est déposée une couche de métal qui constituera les électrodes (planaires ou tridimensionnelles), pistes et plots de contacts. Une passivation (ou couche isolante) vient ensuite isoler les pistes du milieu physiologique afin de permettre l’étude (enregistrement/stimulation) d’un tissu biologique. Au fur et à mesure de ce chapitre, nous verrons qu’en fonction des combinaisons utilisées allant du matériau à la structure planaire ou tridimensionnelle des électrodes et en passant par de nombreuses formes et types des substrats, nous obtiendrons différentes MEA qui seront alors plus destinées à des applications in-vitro ou bien in-vivo.
Dans un premier temps, nous nous intéresserons aux MEA planaires rigides qui ont été les premières à se développer, puis aux MEA tridimensionnelles rigides (avec deux géométries principales sous forme de micro-pointes et de fourchette) qui sont apparues après et enfin aux MEA souples qui répondent à certains besoins insatisfaits par les MEA rigides.
Les MEA planaires rigides
Les MEA planaires rigides ont été les premières à être conçues pour des applications in-vitro afin d’aider à la compréhension des neurones en analysant de façon non-invasive des tissus tels que des explants de rétine, de moelle épinière, des coupes fines de cerveau,…. L’intérêt principal de ces MEA est l’étude des activités électriques des réseaux de neurones sur une longue période [10] et sur une large population de neurones contrairement aux techniques de patch clamp . On peut remarquer l’utilisation de différents matériaux d’électrodes tels que le platine noir (Pt noir), l’oxyde d’iridium (IrOx), l’oxyde d’indium-étain (ITO), le nitrure de titane (TiN). Le choix du matériau de l’électrode est particulièrement important car il définit la qualité de l’enregistrement où plus le matériau sera rugueux (Pt noir, ITO, TiN), meilleur sera l’enregistrement ; mais également la qualité de la stimulation où plus la capacité d’accumulation des charges électriques à la surface de l’électrode sera grande, plus il sera possible d’injecter une grande quantité de courant.
Quant aux substrats utilisés, la plupart des MEA sont réalisées sur du verre car il est biocompatible et transparent (idéal pour réaliser des imageries biologiques). De plus, le verre est un isolant électrique contrairement au silicium qui est un semi conducteur et qui nécessite une étape supplémentaire pour le rendre isolant afin d’éviter tout courant de fuite par le substrat.
On note également que la répartition, la densité, la taille et la forme des électrodes sont différentes en fonction des applications biologiques pour être au plus près des cellules étudiées. Cependant, les MEA planaires ne peuvent qu’étudier les neurones présents qu’à la surface du tissu d’où la nécessité de créer des MEA plus invasives avec une structure tridimensionnelle des électrodes et/ou des substrats pour accéder aux neurones situés dans l’épaisseur du tissu.
Les MEA tridimensionnelles rigides
Les MEA tridimensionnelles rigides peuvent se présenter sous forme de deux géométries différentes, avec micro-pointes et avec fourchettes pour pénétrer en profondeur les tissus biologiques afin notamment de traverser les tissus morts et/ou certains type de cellules gliales à la surface des tissus biologiques et d’être au plus près des neurones d’intérêt. Elles sont utilisés pour des applications in-vitro et également in-vivo. Les MEA plus pénétrantes offrent donc la possibilité d’enregistrer et de stimuler les neurones situés à différentes profondeurs dans le tissu biologique. Certaines formes de MEA sont plus complexes telles que celles de l’Université de l’Utah réalisées en 2008, présentent différentes hauteurs importantes d’électrode sur des substrats de formes courbées pour par exemple avec un nerf, le pénétrer tout en épousant sa forme cylindrique. Ces procédés de fabrication pour structurer les électrodes et également le substrat sont plus compliqués que ceux des MEA planaires rigides. On remarque que dans les publications, la majorité des MEA effectuent des enregistrements de signaux biologiques mais peu stimulent électriquement du tissu biologique. Il existe d’autres dispositifs d’enregistrement de signaux bio-électriques tels que les transistors [15] que nous n’aborderons pas dans le cadre de cette thèse.
Contexte de la recherche sur les MEA rigides
Il y a plus de 9,7 millions d’handicapés moteurs en France [26] et actuellement il existe des moyens pour améliorer l’autonomie des personnes paralysées (tétraplégiques , paraplégiques et hémiplégiques) tels que les outils d’assistance (canne, béquille, fauteuil roulant,…) et l’aide des interfaces cerveau-machine. De nombreuses équipes de recherches, notamment l’Université de Brown travaille sur ces interfaces cerveau-machine qui enregistrent les activités électriques du cerveau associées au mouvement et les envoient vers un ordinateur qui les traduit et les intègre pour contrôler une variété de dispositifs d’assistance (bras robotisé, une prothèse, …) . La plus célèbre des interfaces est la MEA tridimensionnelle rigide développée par l’Université de l’Utah qu’on a vu précédemment . Ce type de MEA est invasif car il pénètre dans la masse cérébrale ce qui pose certaines questions comme son fonctionnement sur le long terme dans le cerveau, les risques liés aux procédures de chirurgies, son positionnement au niveau du cortex moteur du cerveau, etc…
Une autre approche pour améliorer l’autonomie de ces personnes handicapées est abordée dans le cadre du projet de recherche HYRENE (HYbridation de REseaux de Neurones), ANR Blanc (2011-2015). Ce projet a pour ambition à l’aide de MEA, d’enregistrer et de stimuler les réseaux de neurones responsables de la locomotion en vue de connecter un réseau artificiel de neurones avec des neurones vivants, ce qui permettra à ces personnes à terme de retrouver leurs propres fonctions et s’affranchir des outils ou des dispositifs d’assistance pour interagir directement avec leur environnement. Ces réseaux de neurones responsables de la locomotion appelés les centres générateurs de rythme ou les CPG (Central Pattern Generator) sont localisés dans des segments précis de la moelle épinière et peuvent fonctionner de manière autonome ou être commandés par le cortex moteur. En temps normal, les CPG intègrent les signaux de commande provenant du cerveau ce qui induit la locomotion. Chez les humains, les CPG sont situés dans la partie lombaire de la moelle épinière. Dans le cas d’une lésion audessus de cette dernière, les CPG sont intacts mais ne reçoivent plus de commande provenant du cerveau, ce qui entraîne la paralysie [28]. En contrôlant dynamiquement les CPG en leur appliquant des impulsions de stimulation électrique, il est possible de recréer les mouvements rythmiques impliqués dans la locomotion.
Ainsi dans ce projet, des zones de la locomotion ont été choisies pour démontrer la faisabilité de connecter un système vivant/artificiel en vue de réhabilitation. Ces zones sont situées au niveau des racines ventrales (motrices, situées en avant de la colonne). Mais ces dernières se réunissent avec les racines dorsales (sensitives, située en arrière de la colonne vertébrale) pour former les nerfs spinaux .
Dans le cadre de ce projet, la forme des MEA en fourchette a été développée et conçue de façon à pénétrer ces différentes épaisseurs du tissu de la moelle épinière pour que les électrodes situées le long des dents atteignent les CPG situés au niveau des racines ventrales où elles seront capables d’enregistrer les signaux biologiques mais aussi de stimuler les neurones. La stimulation spatiale sera notamment un paramètre important à contrôler car le problème des MEA en général est leur faible résolution spatiale c’est-à-dire que leur manque de focalisation donne lieu à une stimulation sans distinction et cela risque d’activer des neurones autres que ceux ciblés. Il n’existe pas de fourchette permettant de confiner le courant de stimulation. Nous verrons un peu loin que l’ajout d’une masse entourant les électrodes permettra une stimulation plus focale.
Dans un premier temps, les expériences d’enregistrements seront réalisées avec ces MEA sur des moelles épinières de souris âgées de 2 jours où le système nerveux à cette période est rudimentaire pour localiser les CPG (travaux INCIA). Puis dans un second temps, le couplage d’un organe entier (moelle épinière de souris) lésé à un réseau artificiel sera effectué par l’intermédiaire de ces MEA : la MEA en amont de la lésion devra enregistrer correctement les signaux électriques d’intérêt qui seront envoyés vers un réseau de neurones artificiels (réseau conçu par l’IMS). Ce dernier traitera les données et les transmettra vers une MEA située en aval de la lésion qui stimulera précisément les neurones responsables de la locomotion se situant au niveau des racines ventrales .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Interfaces neuro-électroniques
1. Le neurone
1.1 Structure et fonctionnement
1.2 Le potentiel d’action
2. Les différentes matrices de micro-électrodes (MEA)
2.1 Généralités
2.2 Les MEA planaires rigides
2.3 Les MEA tridimensionnelles rigides
2.3.1 Contexte de la recherche sur les MEA rigides
2.4 Les MEA souples
2.4.1 Contexte de la recherche sur les MEA souples
3. Positionnement des travaux et contribution
4. Conclusion
Chapitre 2 : Développement, réalisation et caractérisations électrochimiques de MEA rigides
1. Interface électrode-électrolyte
1.1 Mécanismes de transfert de charge et réactions à l’interface
1.2 Principe des mesures électrochimiques
1.2.1 Mesures électrochimiques avec un potentiostat
1.2.2 Mesures électrochimiques avec le NanoZ et ses connecteurs
2. Les matériaux d’électrode considérés
2.1 Le diamant
2.1.1 Ses propriétés physico-chimiques
2.1.2 Sa synthèse et sa croissance
2.2 Le platine
2.2.1 Protocole d’électrodéposition du platine noir
3. MEA planaires 60 voies
3.1 Design des MEA planaires
3.2 MEA en platine
3.3 MEA en diamant
3.3.1 Procédé de fabrication des MEA en diamant
3.3.2 Caractérisations électrochimiques des MEA platine et diamant
3.4 Design des MEA fourchettes
3.5 Procédé de fabrication de fourchettes en silicium
3.6 Procédé de fabrication de fourchettes en verre
4. Voie exploratoire de la gravure du verre
4.1 Principe de la gravure GDRIE
4.1.1 Description générale
4.2 Procédé et optimisation de la GDRIE
4.2.1 Principe de fabrication de structures 3D en verre
4.2.2 Design et optimisation du masque de protection
4.2.3 Procédé de gravure GDRIE développé au LNF
4.2.3.1 Observation des échantillons gravés au SEM
4.3 Tests de gravure humide au HF
5. Electrodéposition de platine noir sur les fourchettes
5.1.1 Calcul du courant à appliquer
5.1.2 Montage et protocole
5.1.3 Mesures d’impédance
6. Conclusion
Chapitre 3 : Développement, réalisation et caractérisations électrochimiques de MEA souples
1. Concept des implants rétiniens
2. Simulation avec COMSOL
2.1 Présentation rapide du logiciel
2.2 Construction du modèle
2.2.1 Physiques utilisées
2.2.2 Définition du modèle
2.2.3 Courant d’injection des électrodes
2.3 Résultats préliminaires en liquide physiologique
2.4 Récapitulatif
3. Implants rétiniens planaires
3.1 Procédé de fabrication avec des électrodes en platine ou en or
3.2 Les optimisations technologiques
3.2.1 Contraintes des matériaux
3.2.1.1 Adhésion métal/polyimide
3.2.1.2 Adhésion polyimide/polyimide
3.2.2 Gravure du polyimide
3.2.3 Optimisation du masque de gravure
3.2.4 Récapitulatif
3.2.5 Electrodéposition de platine noir sur les implants
3.3 Procédé de fabrication avec des électrodes en diamant
3.4 Mesures électrochimiques d’implants rétiniens planaires
3.4.1 Impédance et premier tri avec le nanoZ
3.4.2 Voltamétrie cyclique
3.4.3 Impédances avec un potentiostat
3.4.3.1 Electrodes métalliques avant et après dépôt de platine noir
3.4.3.2 Comparaison du diamant et du platine noir
3.4.4 Caractérisation par pulse de tension des implants planaires
3.5 Récapitulatif
4. Implants rétiniens tridimensionnels
4.1 Procédé de fabrication 3D tout polyimide
4.1.1 Fabrication du moule tridimensionnel et de l’implant tout polyimide
4.1.2 Tests biologiques
4.2 Procédé de fabrication 3D avec des électrodes en métal
4.2.1 Electrodéposition de platine noir sur les implants 3D
4.2.2 Mesures électrochimiques d’implants rétiniens tridimensionnels avec des électrodes en métal
4.3 Procédé de fabrication 3D avec des électrodes en diamant
5. Conclusion
Chapitre 4 : Expériences biologiques
6. MEA planaires rigides
6.1 Description du banc de mesure et protocole de préparation des échantillons
6.2 MEA planaire en diamant
6.2.1 Enregistrement de la moelle épinière avec une MEA 4×15
6.2.2 Enregistrements de la rétine in-vitro avec une MEA 8×8
6.3 MEA fourchettes
6.3.1 Enregistrement sur moelle épinière de raton
6.4 Récapitulatif
7. Implants rétiniens
7.1 Principe des mesures in-vivo
7.2 Chirurgie oculaire pour la pose d’implant dans l’œil du rat
7.3 Protocole des mesures in-vivo
7.3.1 Impédances des implants en diamant stables où la rétine s’est recollée
7.4 Mesures et suivi in-vivo des implants
7.4.1 Analyse de 2 cas particuliers d’implant en diamant
7.4.1.1 Implant diamant 1C15
7.4.1.2 Implant diamant 1C6
7.4.2 Analyse de 2 cas particuliers d’implant en platine noir
7.4.2.1 Implant planaire platine noir W38-2
7.4.2.2 Implant 3D en platine noir (2-3D-4)
7.5 Récapitulatif
8. Conclusion
Conclusion générale
