Développement d'implants tout diamant pour la réhabilitation fonctionnelle

Fabrication of full soft diamond implants for functional rehabilitation

• Auteur / Autrice : Claudia-Antonella Wilfinger
• Direction : Lionel Rousseau, Gaëlle Lissorgues
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/02/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Ken Haenen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Rousseau, Andreas Offenhäusser, Catherine Picart, Alexandre Carvalho, Gaëlle Lissorgues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Offenhäusser, Catherine Picart

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux

Salle blanche

Électrochimie

Micro et nano technologies

Cleanroom

Materials

Electrochemistry

Micro and nano technologies

Résumé

Le développement de nouvelles technologies biomédicales permet d'aider les personnes souffrant de la perte de fonctions motrices ou cognitives à récupérer partiellement de leur perte. L'étude des neurones a mis en évidence la nature électrique des signaux cérébraux, conduisant à la fabrication d'implants s'interfaçant avec eux. L'enregistrement et la stimulation de différentes parties du système nerveux central ont été rendus possibles grâce à des implants. Néanmoins, l'introduction d'un corps étranger dans le corps humain n'est pas sans conséquences. Les matériaux utilisés pour fabriquer les implants doivent être suffisamment rigides pour supporter les attaques du corps, mais ne doivent pas endommager les tissus environnants. Compte tenu de ces exigences, un matériau a récemment attiré l'attention : le diamant. Il peut être synthétisé en laboratoire et utilisé dans des processus microtechnologiques classiques pour fabriquer des dispositifs à base de diamant. Le diamant peut être un isolant électrique dans son état "naturel", c'est-à-dire un simple réseau de carbone, ou acquérir une conduction de type métallique s'il est suffisamment dopé au bore. L'excellente biocompatibilité du cristal le place comme un candidat sérieux en termes de matériau d'électrode. Ses propriétés chimiques, électrochimiques et mécaniques en font un matériau inerte, solide et fiable. Le travail de thèse s'est concentré sur le matériau diamant, afin de fabriquer un implant entièrement en diamant. Cela signifie que le diamant polycristallin intrinsèque sera utilisé comme couche de protection du dispositif, tandis que les sites des électrodes seront constitués de diamant conducteur dopé au bore (BDD). Le dispositif obtenu est conçu pour enregistrer les signaux du cerveau. Pour ce faire, la maîtrise de la structuration du diamant est primordiale pour pouvoir l’utiliser au sein de processus microtechnologiques. Il a été choisi de faire des croissances localisées du diamant, aussi bien intrinsèque que dopé, en utilisant du nitrure l’aluminium (AlN) en couche de masquage. Le taux de croissance, la composition chimique et l'analyse de l'état de surface ont confirmé la bonne manipulation du processus de diamant. Un autre point essentiel à prendre en compte lors de la fabrication des implants est le choix des matériaux qui transporteront les signaux électriques. Le développement de la couche conductrice a été réalisé en combinant le nitrure de titane (TiN) et le platine (Pt) pour tirer profit des deux matériaux. L'encapsulation du platine par le TiN a donné lieu à des pistes conductrices capables de supporter les conditions de croissance du diamant sans aucun dommage. Suite à la fabrication des implants diamant, une caractérisation doit être effectuée. Deux procédures d'analyse électrochimique ont donc été utilisées pour examiner les électrodes BDD et sonder le matériau : la voltampérométrie cyclique (CV) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Les tests ont confirmé la présence de BDD aux emplacements des électrodes, la bonne passivation du diamant intrinsèque et la faible impédance à 1 kHz, par rapport aux implants comportant des électrodes en BDD seul. Après s'être assuré du bon fonctionnement et de la fiabilité du dispositif, les implants ont été testés in vivo sur des rongeurs pour sonder leurs voies visuelles. Une craniotomie a été pratiquée sur des rats (à l’Institut de la Vision) et des souris (à l’EPFL) afin de placer les électrodes sur leur cortex visuel. Cette intervention chirurgicale a pour but de réaliser un enregistrement aigu des potentiels évoqués visuels (VEP), qui sont déclenchés par des stimulations visuelles. L'expérience a été un succès puisque les implants en diamant ont réussi à enregistrer des VEP dans différents contextes d'expérience, dans les deux laboratoires. Ces résultats préliminaires ouvrent la voie à la future génération d'implants neuronaux en diamant afin de garantir un dispositif chronique fiable et stable.

The development of new biomedical technologies permits to help people suffering from the loss of motor or cognitive functions to partially recover from their loss. Neural study highlighted the electrical nature of brain signals, leading to the fabrication of implants interfacing with them. The recording and stimulation of different parts of the central nervous system were made possible through implants. Nevertheless, introducing a foreign object into the human body is not without consequences, as materials used to fabricate implants should be stiff enough to endure the body’s attacks but should not harm the surrounding tissues. Given these requirements, a material has recently gained attention: diamond. It can be synthetized in labs and used in conventional microtechnology processes to fabricate diamond-based devices. Diamond can either be an electrical insulator in its “natural” state, meaning a simple carbon lattice, or acquire a metallic-like conduction if doped enough with boron. The excellent biocompatibility of the carbonated crystal places it as a serious candidate in terms of electrode material. The chemical, electrochemical and mechanical properties, guarantee an inert, solid and reliable material. The PhD work was focused around diamond material, to fabricate a full-diamond implant. This means that intrinsic polycrystalline diamond was used as a protection layer of the device, while the electrodes sites were made of boron-doped conductive diamond (BDD). The obtained device was designed to record signals from the brain. To do this, the control of the structuring of diamond is essential to be able to use it within microtechnological processes. It was chosen to make localized growths of diamond, both intrinsic and doped, using aluminum nitride (AlN) as a masking layer. The growth rate, the chemical composition and the analysis of the surface condition confirmed the good handling of the diamond process. Another key point to consider when fabricating the implants is the choice of materials that will carry the electrical signals. The development of the conductive layer was done by combining titanium nitride (TiN) and platinum (Pt) to take advantage of both materials. The encapsulation of platinum by TiN resulted in conductive tracks capable of withstanding the growth conditions of diamond without any damage. Following the fabrication of the diamond implants, characterization must be performed. Two electrochemical analysis procedures were therefore used to examine the BDD electrodes and probe the material: cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The tests confirmed the presence of BDD at the electrode locations, good intrinsic diamond passivation, and low impedance at 1 kHz compared to implants with BDD-only electrodes. After ensuring proper functioning and reliability of the device, the implants were tested in vivo on rodents to probe their visual pathways. A craniotomy was performed on rats (at the Vision Institute) and mice (at EPFL) in order to place the electrodes on their visual cortex. The purpose of this surgical procedure is to make an acute recording of visual evoked potentials (VEPs), which are triggered by visual stimuli. The experiment was successful as the diamond implants were able to record VEPs in different experimental settings in both laboratories. These preliminary results pave the way for the future generation of diamond neural implants to ensure a reliable and stable chronic device.