Micro-fabrication de dispositifs ambulatoires, cutanés, hautement performants et à base de matériaux organiques pour l’enregistrement de signaux électrophysiologiques sur l’homme

Micro-fabrication of wearable and high-performing cutaneous devices based on organic materials for human electrophysiological recordings

• Auteur / Autrice : Thomas Lonjaret
• Direction : George Malliaras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 25/10/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Microvitae
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Bioélectronique
• Jury : Président / Présidente : Blaise Yvert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : George Malliaras, Blaise Yvert, Alberto Salleo, Stéphanie Lacour, Jean-Michel Badier, Esma Ismailova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Salleo, Stéphanie Lacour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Électrophysiologie

Électronique organique

Médecine -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Dispositif Médical

Electrode

Electrophysiologie

Electronique Organique

Transistor Organique Electrochimique

Capteurs Flexibles Intégrés

Medical Device

Electrode

Electrophysiology

Organic electronics

Organic electrochemical transistor

Wearable sensor

Résumé

L’électrophysiologie est l’étude des signaux électriques et électrochimiques générés par certaines cellules spécifiques tout comme par des organes entiers. Elle donne aux médecins l’opportunité de suivre le fonctionnement d’un seul neurone mais aussi de l’intégralité du cerveau. L’enregistrement de ces activités est essentiel pour le diagnostic de pathologies aussi diverses que les arythmies cardiaques, l’épilepsie ou la dégénération musculaire. Dans cette thèse, nous étudions différents types d’électrodes cutanées à base de matériaux organiques, de leur conception à leur évaluation préclinique. Notre approche est basée sur l’utilisation du polymère conducteur PEDOT :PSS et de gels ioniques, qui réduisent l’impédance de l’interface électrode-peau. De plus, nos électrodes sont conçues avec différents substrats fins et souples, plastiques ou textiles. Ceci appelle de nouvelles techniques de fabrications adaptées à ces substrats et aux matériaux organiques. Les électrodes sont caractérisées puis testées sur des volontaires afin de démontrer leurs excellentes performances par rapport aux électrodes médicales usuelles. L’évaluation de leur capacité à réduire le bruit et de leur stabilité sur plusieurs jours est effectuée sur des signaux venant des activités musculaires, cardiaques et cérébrales. Nous présentons également une électrode microscopique dite « active », basée sur le transistor organique électrochimique. Celui-ci permet d’amplifier et de filtrer in situ le signal. Parce que nos électrodes organiques cutanées possèdent un important potentiel industriel et clinique, nous étudions maintenant leur intégration dans des dispositifs médicaux de pointe.

Electrophysiology is the study of electrical and electrochemical signals generated by specific cells or whole organs. It gives doctors the opportunity to track the physiological behavior of a single neuron, as well as the integral brain. The recording of these activities is essential to diagnose and better understand diseases like cardiac arrhythmias, epilepsy, muscular degeneration and many more. In this thesis, we study different types of cutaneous electrodes based on organic materials, from conception to pre-clinical evaluation. Our approach is based on the usage of PEDOT:PSS conducting polymer and ionic gels in order to reduce impedance at the skin-electrode interface. Moreover, the substrate of our electrodes is made with different materials such as thin and conformable plastics and textiles. Our devices are then flexible, motion resistant and can be integrating into clothes. We developed new fabrication processes, considering the different substrates and organic materials specifics. The electrodes were characterized and then tested on human volunteers to show their excellent performance in comparison to standard medical electrodes. The evaluation of noise reduction capabilities and possibilities to perform long-term recordings were established on signals coming from muscles, heart and brain. Furthermore, we present a hundred micrometer-small “active” electrode, based on the organic electrochemical transistor. It enables in situ amplification and filtering of recorded signals. The wearable organic electrodes developed in this work are of great industrial and clinic interest. Future work will aim to integrate these technologies into state-of-the-art medical devices.