Nanostructuration de polymères d'implants neuronaux flexibles, caractérisation de leur biocompatibilité par une étude in-vitro, et conception d'un câble flexible pour l'enregistrement cortical de haute densité

Nanostructuration of flexible neural implant polymers, characterization of their biocompatibility by an in-vitro study, and design of a flexible extension for a high density cortical recording

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Mayaudon
• Direction : Anne Quesnel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 31/01/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Gay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire BrainTech (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Gay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Coffinier, Gaëlle Lissorgues, Cécile Delacour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Coffinier, Gaëlle Lissorgues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cultures cellulaires

Neuroprothèses

Mots clés libres

Nanostructuration

Implant Cortical flexible

Biocompatibilité

Cable flexible

Haute densité

Culture de cellules primaire

Nanostructuration

Cortical Implant

Biocompatibility

Flexible enxtension

High density

Primary cell culrure

Résumé

La recherche en réhabilitation des fonctions motrices ou en exploration du cerveau par l’utilisation des neuroprothèses a deux enjeux majeurs adressés dans cette thèse : les implants doivent être de haute biocompatibilité sur le long terme et avec une haute densité d’électrodes. La littérature révèle que la nanostructuration de surface peut améliorer l’adhésion et le réseau des neurites de neurones et que les implants fins et souples, composés des polymères SU-8, polyimide ou parylène, réduisent la cicatrice gliale. Cette thèse montre qu’une gravure plasma (argon, oxygène) forme des nanofils (NFs) verticaux de SU-8 de diamètre 50 à 100 nm et longs jusqu’à 8 µm. Des NFs peuvent être transposés à un implant fait de fils SU8 de diamètre 10 µm. Aussi, le dépôt d’or (10 nm) suivi de la gravure plasma mène à des NFs verticaux de même diamètre et longs jusqu’à 4,2 µm pour le polyimide PI-LTC9320, des NFs plus courts « buissonneux » pour les parylène C et N, et des NFs de diamètre 150 nm pour le parylène HT. Les analyses XPS sur les surfaces avant et après le plasma ont dévoilé un ratio oxygène/carbone plus important alors que l’angle de contact de départ (70 à 87°) reste le même ou devient plus élevé. La superhydrophobicité des NFs SU-8 et PI-LTC9320 semble s’expliquer par la forme des nanostructures indiquant une configuration Cassie-Baxter. Cette thèse expose aussi que les NFs SU-8 longs de 4 µm influencent positivement l’adhésion et le réseau de neurites de neurones, en comparaison aux NFs SU-8 de 1 µm, pour les cultures de cellules primaires corticales et rétinales. Toutefois, parmi les différents polymères plat et nanostructurés incluant SU-8, parylènes et polyimides, les parylènes plat se révèlent être les meilleurs pour les cultures de cellules corticales. Par rapport au parylène C plat, le parylène C nanostructuré a un effet variable sur les cultures de cellules de rétiniennes. Dans cette thèse aussi, afin de répondre aux critères de biocompatibilité, de stérilisation, de souplesse et de blindage électrique, un câble flexible adapté à la connexion d’implants souples haute densité (256 voies) a été réalisé en salle blanche avec succès (analyses MEB et EDX). Des polymères conducteurs possibles pour le blindage ont été identifiés mais des caractérisations électriques restent à établir en connectant les deux extrémités du câble par une connectique développée dans cette thèse. Enfin, la qualité de la connexion électrique entre le câble et l’implant, réalisée facilement via un « clip » imprimé en 3D et un film conducteur anisotrope doit être améliorée.

The research about rehabilitation of motor functions or the exploration of the brain using neuroprostheses has two major issues addressed in this thesis: the implants must be of high biocompatibility in the long term and with a high electrode density. The literature reveals that surface nanostructuring can improve the adhesion and neurite network of neurons and that fine and flexible implants, composed of SU-8 polymers, polyimide or parylene, reduce the glial scar. This thesis shows that a plasma etching (argon, oxygen) forms vertical nanowires (NW) of SU-8 of diameter 50 to 100 nm and long up to 8 μm. NWs can be transposed to an implant made of 10 µm diameter SU8 wires. Also, gold deposition (10 nm) followed by plasma etching leads to vertical NWs of the same diameter and long up to 4,2 µm for polyimide PI-LTC9320, and to shorter "bushy" NWs for parylene C and N, and large diameter 150 nm NWs for parylene HT. The XPS analyzes on the surfaces before and after the plasma have revealed a greater oxygen / carbon ratio while the contact angle (70 to 87°) remain the same or becomes higher. The superhydrophobicity of SU-8 and PI-LTC9320 NWs seems to be explained by the shape of the NWs indicating a Cassie-Baxter configuration. This thesis also shows that 4 µm long SU-8 NWs positively influence the adhesion and neurite network of neurons, compared to 1 µm long SU-8 NWs, for primary cortical cell cultures. However, among the various nanostructured and flat polymers including SU-8, parylenes and polyimides, the flat parylenes reveals to be the best polymers for the cortical cell cultures. In comparison to flat parylene C, nanostructured parylene C has a variable effect on the retinal cell cultures. Also in this thesis, in order to meet the criteria of biocompatibility, sterilization, flexibility and electrical shielding, a flexible cable adapted to the connection of high density soft implants (256 channels) was successfully performed in a clean room (analyzes MEB and EDX). Possible conductive polymers for the shielding have been identified but electrical characterizations remain to be established by connecting the two ends of the cable by a connector developed in this thesis. Finally, the quality of the electrical connection between the cable and the implant, performed easily via a "clip" printed in 3D and anisotropic conductive film has to be improved.