Organic Implantable Probes for in vivo Recordings of Electrophysciological Activity and Drug Delivery

par Ilke Uguz

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Georges Malliaras.

Soutenue le 21-11-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Microvitae (entreprise) et de Département Bioélectronique (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Bernard.

Le jury était composé de Georges Malliaras, Christophe Bernard, Alberto Salleo, Stéphanie Lacour, Inal Sahika.

Les rapporteurs étaient Alberto Salleo, Stéphanie Lacour.

  • Titre traduit

    Sondes organiques implantables pour l’enregistrement in vivo de l’activité électrophysiologique et le relarguage de drogues


  • Résumé

    L’enregistrement et la stimulation in vivo de l’activité neuronale peuvent aussi bien servir pour la recherche médicale que pour les interfaces cerveau-machine. Les dispositifs à base d’électronique organique sont de prometteurs candidats pour ce faire, grâce à leur flexibilité et leur biocompatibilité. Le contrôle local de l’activité neuronale est la clé de nombreuses stratégies thérapeutiques visant à traiter les troubles neurologiques. Une solution idéale serait donc de fabriquer un dispositif capable de détecter l’activité neuronale et, en réponse, d’injecter des molécules endogènes. L’un des objectifs de cette thèse est de s’attaquer à cette problématique à l’aide d’un dispositif permettant à la fois de stimuler les cellules, et de mesurer l’activité neuronale, au même endroit, à l’échelle cellulaire. Nous présentons un dispositif organique capable de délivrer précisément des neurotransmetteurs in vitro et in vivo. En convertissant un signal électrique en la délivrance de neurotransmetteurs, le dispositif mime le fonctionnement d’une synapse. Le neurotransmetteur inhibiteur, l’acide γ- aminobutyrique (GABA), est relargué au niveau des électrodes d’enregistrement par l’activation d’une pompe ionique électronique. L’injection du GABA engendre l’arrêt de l’activité épileptique qui a été enregistré au niveau des électrodes. Des dispositifs multifonctionnels ouvrent de nombreuses possibilités, incluant des dispositifs thérapeutiques avec des boucles de retour, avec lesquels l’enregistrement local de signaux régule la délivrance d’agents thérapeutiques. De plus, nous avons également réalisé pendant cette thèse l’intégration de transistors organiques sur un film organique ultra fin, pour mesurer les signaux électrophysiologiques in vivo à la surface d’un cerveau de rat. Le dispositif, implanté de façon épidurale, montre des résultats surpassant certains dispositifs subduraux de taille similaire, permettant ainsi une approche moins invasive et efficace pour mesurer l’activité neuronale.


  • Résumé

    Recordings and stimulation of in vivo neural activity are necessary for diagnostic purposes and for brain-machine interfaces. Organic electronic devices constitute a promising candidate due to their mechanical flexibility and biocompatibility. Local control of neuronal activity is central to many therapeutic strategies aiming to treat neurological disorders. Arguably, the best solution would make use of endogenous highly localized and specialized regulatory mechanisms of neuronal activity, and an ideal therapeutic technology should sense activity and deliver endogenous molecules simultaneously to achieve the most efficient feedback regulation. Thus, there is a need for novel devices to specifically interface nerve cells. Here, we demonstrate an organic electronic device capable of precisely delivering neurotransmit- ters in vitro and in vivo. In converting electronic addressing into delivery of neurotransmit- ters, the device mimics the nerve synapse. The inhibitory neurotransmitter, -aminobutyric acid (GABA), was actively delivered and stopped epileptiform activity, recorded simultaneously and colocally. These multifunctional devices create a range of opportunities, including implantable therapeutic devices with automated feedback, where locally recorded signals regulate local release of specific therapeutic agents. In addition, we demonstrate the engineering of an organic electrochemical transistor embedded in an ultrathin organic film designed to record electrophysiological signals on the surface of the brain. The device was applied in vivo and epidurally implanted could reach capabilities beyond similar sized electrodes allowing minimally invasive monitoring of brain activity.

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