Design et fabrication de dispositifs organiques électroniques pour le diagnostic in vitro : du Petri dish vers un système multiparamétrique

Design and fabrication of organic electronic devices for in vitro diagnostics : from petri dish to multiparametric systems

• Auteur / Autrice : Aimie Pavia
• Direction : Thierry Djenizian, Róisín M. Owens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 02/06/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Microélectronique de Provence - Site Georges Charpak (CMP-GC)
• Jury : Président / Présidente : Rodney O'Connor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Djenizian, Róisín M. Owens, Rodney O'Connor, Georges Hadziioannou, George Malliaras, Esma Ismailova, Loïg Kergoat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Hadziioannou, George Malliaras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors organique électrochimiques

Diagnostic biologique

Conducteurs organiques

Électronique organique

Mots clés libres

Organique électronique

Polymère conducteur

OECT

In vitro

Cellule neurale

Cellule epitheliale

Organic electronics

Conducting polymer

OECT

In vitro

Neuron cell

Matrix

Résumé

Les études pharmacologiques sont primordiales dans le développement des traitements de pointe. Cependant, les tests in vitro faisant partie intégrante des essais précliniques ne sont pas prédictifs du système in vivo qu'ils tentent d'imiter. Deux axes de recherche sont investis pour répondre à cette problématique: 1) Élaborer un modèle biologique in vitro plus complexe. 2) Améliorer les méthodes de contrôle in vitro. Nous proposons un système de suivi multiparamétrique intégrant des dispositifs bioélectroniques, permettant la surveillance électrophysiologique complémentaire au contrôle visuel des expérimentations in vitro. Un état de l’art des microélectrodes organiques (OMEA) introduit le domaine des matériaux organiques. Puis, afin d’intégrer un suivi électrophysiologique dans des expériences biologiques usuelles, les OMEA sont assemblées sous la forme d'un outil utilisé en biologie cellulaire (la plaque 12-puits). Afin de contourner la restriction du nombre de canaux adressables par l’électronique, le design du transistor électrochimique organique (OECT) est adapté en architecture matricielle. Des étapes de fabrication des OECTs sont optimisées. La capacité des dispositifs bioélectroniques à monitorer des expériences biologiques in vitro est évaluée pour a) contrôler la viabilité d’une bicouche lipidique b) mesurer la formation d’une barrière cellulaire épithéliale, et c) détecter l'activité de cellules électrogéniques. Ces dispositifs bioélectroniques peuvent être intégrés dans les protocoles standards de la pharmacologie, et permettent un monitoring multiparamétrique de l’expérience in vitro.

Drug and toxicity assays are necessary to develop advanced treatments as a way of improving diagnostics and treatment. However, the actual in vitro models are currently not on par regarding the in vivo system they attempt to mimic. Two research directions can be invested in to overcome this issue: 1) elaboration of more complex in vitro biological model and 2) improvement of the in vitro experiment monitoring. We propose a multi-parametric system approach integrating bioelectronic devices complementing optical monitoring. A review on Organic Microelectrodes introduces the field of organic materials. To include electrophysiology monitoring steps into usual biological experiments, the planar bioelectronic chips are assembled in the form of a standard cell biology tool: the 12-well plate. To overcome the number limitation of channels available for both input and output monitoring, Organic electrochemical transistor (OECT) designs were arranged and optimized in a matrix structure. The bioelectronic device’s ability to monitor biological experiments in vitro is tested to monitor a) the transmembrane proteins in a lipids bilayer b) an epithelial barrier formation, and c) detect electrogenic cell activity. In conclusion, we have included bioelectronic devices into generic tools from the biological experiment is possible, and allows multiparametric monitoring of the in vitro experiment.