Lithographic fabrication, electrical characterization and proof-of-concept demonstration of sensor circuits comprising organic electrochemical transistors for in vitro and in vivo diagnostics

par Marcel Braendlein

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de George Malliaras.

Soutenue le 24-03-2017

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

Le président du jury était Alberto Salleo.

Le jury était composé de George Malliaras, Alberto Salleo, Robert Forchheimer, José A. Garrido, Roisin Owens, Jean-Michel Badier.

Les rapporteurs étaient Robert Forchheimer, José A. Garrido.

  • Titre traduit

    Fabrication lithographique, caractérisation électrique et preuve de concept des circuits de capteurs comprenant des transistors organiques électrochimiques, à des fins diagnostiques in vitro et in vivo


  • Résumé

    Grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, électriques et chimiques, les dispositifs organiques électroniques à base de polymères conducteurs peuvent résoudre l’incompatibilité entre les modules électroniques rigides en silicone et les exigences des tissus mous qui constituent l’environnement biologique. Les avancées en matière de semiconducteurs organiques et en microélectronique ont donné naissance à la bioélectronique. Cette discipline emploie des capteurs à des fins diagnostiques, telles que la détection des métabolites ou la mesure d’un potentiel d’action neuronal, et des actionneurs à des fins thérapeutiques, comme l’application locale d’un traitement à l’intérieur même du corps, ou la stimulation cérébrale profonde afin de guérir un trouble neurologique. En bioélectronique, l’utilisation de matériaux organiques, tels que le polymère conducteur poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate de sodium (PEDOT:PSS) a permis de développer des composants électroniques biomédicaux de qualité exceptionnelle, comme par exemple le transistor organique électrochimique (OECT), qui ont été testés in vitro et in vivo. Ce manuscrit explique en détail la fabrication, la fonctionnalisation et la caractérisation du OECT à base de PEDOT:PSS. Afin de pouvoir intégrer ce capteur à des systèmes de mesure biomédicaux déjà établis, l’OECT est intégré à des circuits simples, tels qu’un amplificateur de tension ou un pont de Wheatstone. Ces circuits sont mis à l’épreuve de la pratique clinique, dans le cas de mesures électrocardiographiques, ou de détection de métabolites dans des cellules cancéreuses. Cela permet d’apprécier à la fois leur applicabilité, et leurs limites.


  • Résumé

    Due to their outstanding mechanical, electrical and chemical properties, organic electronic devices based on conducting polymers can bridge the gap between the rigid silicon based read-out electronics and the soft biological environment and will have a huge impact on the medical healthcare sector. The recent advances in the field of organic semiconductors and microelectronics gave rise to a new discipline termed bioelectronics. This discipline deals with sensors for diagnostic purposes, ranging from metabolite detection and DNA recognition all the way to single neuronal firing events, and actuators for therapeutic purposes, through for example active local drug delivery inside the body or deep brain stimulation to cure neurological disorder. The use of organic materials such as the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) in the field of bioelectronics has brought about a variety of outstanding electronic biomedical devices, such as the organic electrochemical transistor (OECT), that have been implemented for both in vitro and in vivo applications. The present manuscript gives a detailed explanation of the fabrication, functionalization and characterization of OECTs based on PEDOT:PSS. To be able to intercept this sensor element with traditional biomedical recording systems, the OECT is implemented into simple circuit layouts such as a voltage amplifier or a Wheatstone bridge. These sensor circuits are then applied to real-life biomedical challenges, such as electrocardiographic recordings or metabolite detection in tumor cell cultures, to demonstrate their applicability as well as their limitations.


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