Flexible neural probes with a fast bioresorbable shuttle : From in vitro to in vivo electrophysiological recordings

par Jolien Pas

Thèse de doctorat en Microelectronique

Sous la direction de George Malliaras.

Soutenue le 11-12-2017

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

Le président du jury était Jochen Lang.

Le jury était composé de George Malliaras, Jochen Lang, Rylie Green, Ivan Minev, Christophe Bernard, Rodney Oconnor.

Les rapporteurs étaient Jochen Lang, Rylie Green.

mots clés

• Electronique organique
• Polymères Conducteurs
• Culture des cellules neuronales
• Polymères biorésorbables
• Électronique organique -- Thèses et écrits académiques
• Conducteurs organiques -- Thèses et écrits académiques
• Microélectrodes -- Thèses et écrits académiques

Titre traduit

Sondes neuronales flexibles avec une navette bioresorbable rapide : Des enregistrements électrophysiologiques in vitro à in vivo

Résumé

Nous étudions l'utilisation de l'électronique organique à l'interface du tissu nerveux pour des applications in vitro et in vivo. Le principal objectif est la fabrication d’interfaces neuronales flexibles pour enregistrer l'activité électrophysiologique de cellules neuronales sur de longues durées. À cette fin, nous utilisons du parylène-C comme substrat et le polymère conducteur poly(3,4-éthylène dioxythiophène):poly(styrène sulfonate) pour réduire l'impédance de l'interface cellule/électrode. En utilisant nos matrices de microélectrodes, nous montrons comment améliorer le rendement d'enregistrement avec un modèle 3D in vitro. La formation de clusters cellulaires 3D augmente considérablement le nombre d’enregistrements de potentiels d’action unitaires. In vivo, nous démontrons la fabrication de sondes de support en polymères biodégradables sur nos capteurs flexibles en utilisant une combinaison de polymères alcool polyvinylique et poly(lactique-co-glycolique). Alors que notre support d’insertion en PVA fournit la rigidité nécessaire à la pénétration, le revêtement PLGA retarde la dissolution du support afin de placer précisément les capteurs à l'intérieur du cerveau. Cela nous permet d’enregistrer en profondeur et, dans les conditions idéales, de minimiser les lésions cérébrales par rapport à les sondes traditionnelles rigides. Dans l'ensemble, nous avons réussi à effectuer des enregistrements électrophysiologiques avec nos propres microélectrodes et sondes invasives, améliorant le rendement d'enregistrements in vitro et démontrant que nos support d’insertion biodégradables pénètrent le cerveau. Ces résultats annoncent de prometteuses applications médicales futures.

mots clés

• Organic electronics
• Conducting polymer
• Cortical cells
• Bioresorbable polymers

Résumé

Neural interfaces are designed to unravel the mysteries of the brain and to restore the functions of paralyzed patients. Despite the success of traditional neural interfaces, these rigid devices are prone to failure within months after surgery. Mechanical mismatch with the soft neural tissue is believed to be one of the main causes. In this thesis, we studied the use of soft organic electronics to interface with neural tissue for both in vitro and in vivo applications. Parylene-based microelectrode arrays (MEAs) and depth probes were made, employing the conducting polymer poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) to reduce the impedance at the cell-electrode interface. In vitro, we thereby showed how to enhance the recording yield of MEAs by creating a three-dimensional model of neurospheres. We further report on the fabrication of a new biodegradable polymer shuttle for flexible depth probes based on the combination of poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(lactic-co-glycolic) (PLGA). In vivo, the PVA/PLGA- shuttled probes were acutely tested in mice and revealed promising electrophysiological results. More research remains necessary to evaluate its long-term function in vivo. In conclusion, our results demonstrate that bioresorbable polymers are capable of providing the required stiffness to penetrate the brain, which shows much promise for future neural applications. This work thereby shows that a long-term functional neural interface is not far from being developed.