Thèse soutenue

Plate-forme de nano-dispositifs pour le suivi de l'activité neuronale au niveau de la cellule individuelle
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Auteur / Autrice : Luca Bettamin
Direction : Guilhem LarrieuDaniel Gonzalez-Dunia
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : MicroNano Systèmes
Date : Soutenance le 30/06/2021
Etablissement(s) : Toulouse 3
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Peyrin
Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Larrieu, Daniel Gonzalez-Dunia, Esma Ismailova
Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Charrier, Cécile Delacour

Résumé

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Historiquement, l'électrophysiologie a commencé entre les années 1600 et 1700. L'électrophysiologie moderne est en grande croissance en raison du manque de compréhension mécanismes de base des cellules électrogéniques. Ce projet vise le développement d'une plateforme qui ouvre les possibilités d'étudier ces mécanismes. Les cellules analysées sont des neurones. Différentes approches ont été adoptés pour étudier ces cellules, principalement divisées en technologies in vivo et in vitro. La plateforme développée est considérée comme faisant partie des technologies in vitro, avec des avantages apportés par la micro-fabrication. Des dispositifs à la pointe de la technologie sont présentés avec des solutions créées pour obtenir de multiples possibilités de détection. Les objectifs du projet sont divisés en trois domaines : l'étude des performances du dispositif et la possibilité de détection multi-physique ; la réalisation de l'interfaçage subcellulaire et de l'axogenèse; modélisation théorique du système et investigation de questions biologiques. Le procédé de micro-fabrication compatible à grande échelle de la bio-plateforme est présenté. Les étapes principales pour la cointégration de différents types de capteurs sont expliquées. Une description complète de toutes les étapes pour obtenir une plateforme fonctionnelle est faite. Le procédé de micro-fabrication comprend la photolithographie classique et par projection, DRIE, gravure humide, CVD, PECVD, ALD et RTA. La réalisation des FinFETs est expliquée. Le procédé est effectué sur un substrat SOI de 4 pouces. Une étude sur les techniques d'assemblage a été réalisée. Le report de puce où les connexions des électrodes sont obtenues avec des bump d'or est remplacée par l'utilisation de pâte à braser par sérigraphie permet l'obtention de connexions plus fiables et une solution plus rentable. La théorie du potentiel de champ électrique est présentée pour les électrodes nanostructures de la bio-plateforme. Un circuit électrique équivalent s'est avéré être un modèle précieux pour le système via la caractérisation par spectroscopie d'impédance électrochimique des électrodes et l'ajustement des données avec simulation à partir du modèle. L'utilisation de dispositifs FinFET comme capteurs de pH est expliquée. Une caractérisation détaillée de ces dispositifs a été réalisée et l'analyse comparant différentes conditions et matériaux est présentée. L'obtention d'un niveau de contrôle subcellulaire et d'interfaçage entre les cellules et les électrodes est un sujet largement étudié dans la recherche moderne. Le protocole spécifique pour la culture des neurones primaire de rat est décrit. Différentes solutions pour guider la croissance cellulaire sont discutées : structuration topographique ; fonctionnalisation de surface ; micro-canaux. L'utilisation de micro-canaux a été la solution choisie pour le contrôle de la croissance axonale. Deux méthodes différentes pour obtenir ces micro-canaux sont présentées. Le premier comprend une étape de photolithographie qui tire parti des effets optiques de lithographie par projection pour structurer la résine photosensible SU-8. Le second est basé sur l'utilisation du PDMS, un polymère classique largement utilisé en micro fluidique. Les deux méthodes présentent certains avantages et inconvénients qui sont discutés.[...]