Développement d'un microsystème étirable pour l'étude de l'activité électrique de cellules neuronales sous contrainte mécanique

Development of a stretchable microsystem for the study of electronic activity of neuronal cells under mechanical strain

• Auteur / Autrice : Tiffany Baëtens
• Direction : Vincent Thomy, Steve Arscott, Emiliano Pallecchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Polydiméthylsiloxanes

Photolithographie

Résines photosensibles

Propriétés électriques

Réseaux neuronaux (physiologie)

Micro-fabrication

Microélectrodes

Mots clés libres

Support étirable

Stretchable microsystem

Résumé

Alors que 50 million de personnes souffrent de traumatismes crâniens chaque année dans le monde entier, le choc (stress mécanique externe), engendré à cette occasion sur le réseau neuronal, peut amener à l’apparition de lésions cérébrales traumatiques. A moyen et long termes, ce processus peut entraîner une neuro-inflammation et la manifestation de pathologies telles que la maladie de Parkinson ou d'Alzheimer. Ce travail de doctorat a pour objectif de développer un microsystème étirable pour l’étude électro-mécanique de réseaux de neurones in vitro. Un tel microsystème doit intégrer des électrodes isolantes, mécaniquement robustes sur le support étirable. La première partie de ce travail a consisté en l’étude de la métallisation directe sur PDMS par masquage physique. Ensuite, une couche mince de la résine photosensible ‘SU-8’ a été intercalée entre le PDMS et les métaux permettant ainsi de rigidifier les lignes métalliques et déplacer la contrainte mécanique vers le support de PDMS. Afin d’éviter toute fissure sous contrainte mécanique, l’architecture et l’orientation des électrodes a été étudiée et validée par un modèle physique. Dans un deuxième temps, un microsystème de PDMS/SU-8/Cr-Au/Parylène a ensuite été fabriqué par photolithographie via une technologie planaire et est compatible avec le dispositif commercialisé par MultiChannel System© qui permet de visualiser et d’enregistrer les influx nerveux d’un réseau neuronal mature. Pour la fabrication du microsystème étirable, un procédé de microfabrication complet a été développé pour 3 étapes de photolithographie sur PDMS. La fonctionnalité de ce microsystème a été validée par la visualisation de réponses électriques d’un réseau neuronal au bout de 12 jours in vitro (DIV). Ce microsystème présente des électrodes avec un ratio signal/bruit comparable aux MultiElectrode Array (MEA) commerciaux.

50 million people suffer from head trauma each year worldwide. The shock (external mechanical stress) acting on neural networks insided the brain can lead to the appearance of traumatic brain injuries (TBI). In the short term and long term, this process can lead to neuroinflammation and the manifestation of pathologies such as Parkinson’s disease or Alzheimer’s disease. This thesis aims to develop a stretchable microsystem for the electromechanical study of neural networks in vitro. Such a microsystem must integrate insulated electrodes which are mechanically robust on the stretchable support. The first part of this work consisted in studying the direct metallization on PDMS using physical masking. Next, a patterned photoresist (SU-8) thin film was then used between the PDMS and the metals. The stiff SU-8 shields the metallization from strain—which now occurs in the adjacent PDMS. In order to avoid cracks under mechanical stress, the architecture and orientation of the electrodes has been studied and validated by a physical model. The second part was the fabrication of a PDMS/SU-8/Cr-Au/Parylene stretchable microsystem by photolithography using a planar process developed during the thesis work. The microsystems is compatible with MultiChannel System© commercial device which allows the visualization and recording the nerve impulses of a mature neural network. A microfabrication process has been developed with 3 photolithography steps on a PDMS substrate. The functionality of the microsystem has been validated by the visualization of electrical responses of neural network at 12 days in vitro (DIV). In addition, this microsystem demonstrates a signal/noise ratio comparable to commercial MultiElectrode Array (MEA).