Thèse Année : 2023

Optimization of 3D-nanoelectrodes for the recording and stimulation of the neuronal activity at the subcellular level

Optimisation de nano-électrodes 3D pour l'enregistrement et la stimulation de l'activité neuronale à l'échelle sub-cellulaire

Résumé

The brain is the most complex organ of the body, and our knowledge regarding its mechanisms and dysfunctions remains scarce to date. The brain can be affected by various neurodegenerative diseases, making it an important global health concern, as such disorders are part of the most common causes of death worldwide. As of now, no efficient treatment exists to cure such diseases, in particular Alzheimer’s disease, due to lack of understanding. It is then crucial to broaden research by combining multiple fields (including biology, pharmacology, chemistry, microfabrication, electronics, etc.), as unilateral research does not allow for efficient and complete brain studies. During this PhD we aim to contribute to this worldwide, interdisciplinary research by sharing our expertise in micro-technologies for electrophysiology within the NEUREKA project. The main objective of this H2020 European project is to develop a drug screening platform for Alzheimer’s disease, whereby biological neurons and computational models are combined and interact in an adaptative, closed loop system. Our device serves as an interface between cultured and artificial neurons, to reproduce in-brain pathologies. Our technology, called a Nanowire electrode arrays (NEA), corresponds to a microfabricated chip, based on core-shell metallic PtSi nanowires (NWs). Each electrode possesses 7 NWs, each one with typical dimensions being 3.5μm high and 300nm diameter. The NEA chip offer real benefits, as each electrode possess a high spatial resolution and an important surface-to-volume ratio, leading to a higher affinity with cells. This configuration enables the recording and stimulation of neurons with subcellular accuracy; hence NWs act as artificial synapses. However, our nanoelectrodes possess a limited effective area, which leads to a low charge injection capacity, a key parameter for stimulation processes. Consequently, we propose to study the electrical properties of PtSi interfaces, and investigate the integration of selected coatings (PEDOT:PSS, IrOx, HfO2) at the nanoscale onto the PtSi NWs, with the expectations to improve the neural interface properties. To this extent, we propose to optimize the deposition on PtSi planar microelectrodes first (MEA-like configuration), with diameters ranging from 80μm to 5μm, for surface scaling, comparison with the literature, and investigation, as diameters under 10μm are not commonly reported. All coated electrodes have been characterized electrochemically and morphologically, following a pre-established protocol, in order to investigate the relationship between the materials synthesis conditions, the morphology and the conductive features. With this work we aim to achieve thin and homogeneous layers for further compatibility with an integration on nanostructures. 189 Then, the systematic deposition and characterization protocol is applied to NWs and we demonstrate the successful integration of thin coatings onto the electrodes. In fact, the NWs-based electrodes performances are design dependent, hence it is of prime importance to achieve a thin and conformal coating to keep the actual optimal design (here the size and pitch of the NWs), as it promotes thigh interactions and high electrode engulfment by the cells. Last, materials offering desirable performances are selected for in vitro experiments, where recordings and stimulation of the neuronal activity are performed, with the aim of demonstrating the NEUREKA bio-platform viability. To this intent, stimulation protocols are performed in open-loops, in order to investigate electrically evoked neuronal response, as a proof of concept of the platform feasibility.

Le cerveau est un organe complexe, et notre connaissance des mécanismes neuronaux et de leurs dysfonctionnements reste à ce jour limitée. De nombreuses maladies neurodégénératives peuvent affecter notre cerveau, et sont désormais une préoccupation majeure de santé mondiale, car elles sont parmi les principales causes de mortalité. A ce jour, aucun traitement n'existe pour guérir de telles maladies, en particulier la maladie d'Alzheimer. Il est donc crucial d'élargir la recherche en combinant les connaissances liées à plusieurs domaines scientifiques (biologie, pharmacologie, micro-fabrication, électronique, etc.), car une recherche unilatérale ne permet pas d’obtenir des résultats probants. Ce doctorat a pour but de contribuer à cette recherche interdisciplinaire, par le partage de notre expertise en micro-technologies pour l'électrophysiologie dans le cadre du projet NEUREKA. L'objectif principal de ce projet Européen H2020 est de développer une pl! ateforme de test de médicaments pour la maladie d'Alzheimer, sur laquelle des neurones de culture sont couplés à des modèles computationnels, et interagissent dans un système adaptatif afin d’imiter les pathologies cérébrales. Notre dispositif sert alors d’interface entre les neurones biologiques et artificiels. Notre technologie, nommée « réseau de nano électrodes », soit Nano Electrode Array (NEA), correspond à une puce microfabriquée, où les électrodes sont à base de nanofils (NFs) en PtSi, arborant une structure de type cœur-coquille. Chaque électrode possède 7 NFs, chacun ayant des dimensions typiques de 3,5 µm de hauteur et de 350 nm de diamètre. La puce NEA offre de réels avantages, car chaque électrode possède une résolution spatiale élevée et un rapport surface/volume important, ce qui conduit à une affinité accrue avec les cellules. Cette configuration permet l'enregistrement et la stimulation des neurones avec une préc! ision subcellulaire ; ainsi, les NFs servent de synapses artificielles.. Cependant, nos NFs ont une surface active limitée, ce qui conduit à une faible capacité d'injection de charge, un paramètre clé lors des processus de stimulation. Par conséquent, nous proposons d'étudier les propriétés électrochimiques des interfaces PtSi, et d'étudier l'intégration sur ces dernières de coatings soigneusement sélectionnés (PEDOT:PSS, IrOx, HfO2), dans l'espoir d’en améliorer les performances pour l’interfaçage neuronal. Pour ce faire, nous avons effectué un travail de pré-optimisation en déposant sur des électrodes planaires, dont les diamètres varient de 80µm à 5µm, pour une étude à différentes échelles. Cela nous a permis de nous comparer à la littérature, ainsi qu’étudier l’impact des coatings sur des diamètres inférieurs à 10µm, ces derniers étant généralement peu étudiés. Toutes les électrodes avec coatings ont été caractérisée! s morphologiquement et électrochimiquement, afin d’établir une relat! ion entre le dépôt, la morphologie de la couche déposée et les propriétés électriques. Lors de ce travail préliminaire, nous avons obtenu des couches minces et homogènes, ce qui nous a permis de transférer les connaissances acquises vers une intégration sur nanostructures. Ces protocoles de dépôts et caractérisations systématiques ont été appliqués aux NFs, et nous avons démontré qu’il était possible d’obtenir avec succès des couches fines et conformes, à l’échelle nanométrique. Obtenir des couches de ce type est primordial car les performances des NFs sont hautement dépendantes de leur design, ce dernier ayant déjà été optimisé pour avoir une interaction optimale avec les cellules. Pour finir, les matériaux offrant les meilleures performances ont été sélectionnés pour des expériences in vitro, afin d’enregistrer et stimuler l’activité neuronale. Cette stimulation se base d’abord sur des procédés "boucle ouverte", af! in d’établir une preuve de concept et montrer la viabilité de la bio-plateforme NEUREKA

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Citer

Inès Muguet. Optimization of 3D-nanoelectrodes for the recording and stimulation of the neuronal activity at the subcellular level. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. UT3 : Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-05008052⟩
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