Comparaison de matériaux pour la fabrication d'un plan en réhabilation fonctionnelle

Developing a wearable automated system for measuring bio-impedance

• Auteur / Autrice : Umme Tabassum Sarah
• Direction : Lionel Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Rousseau, Marjorie Grzeskowiak, Christian Bergaud, Patrick Poulichet, Hakim Takhedmit, Marie Frenea-Robin, Bruno Le Pioufle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marjorie Grzeskowiak, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Biocompatibilité

Diamant

Prothèses internes

Interface organique-inorganique

Mots clés libres

Modélisation par éléments finis

Microfabrication

Électrochimie

Traitement du Signal

Radio fréquence

Cleanroom technology

Microfabrication

Electrochemistry

Electronics

Characterization of metal

Implants

Résumé

Les progrès actuels dans le domaine de la biotechnologie constituent l'un des développements "jamais imaginés auparavant". L'interface cerveau-ordinateur révolutionnaire a ouvert la voie aux chercheurs scientifiques du monde entier pour les aider à lutter contre les malformations congénitales, la perte traumatique d'un membre et/ou la fonction motrice d'une zone spécifique. Ce manuscrit de doctorat présente les travaux réalisés dans le but de fabriquer des implants entièrement en diamant. Dans un premier temps, des matériaux conventionnels ont été utilisés (en tant que couches conductrices et non conductrices ou de passivation) pour fabriquer des échantillons d'électrodes afin de comprendre et d'étudier le comportement de la matière traditionnelle dans un environnement électrochimique. Cette étude a ouvert la voie à la fabrication d'électrodes de formes et de tailles similaires, mais avec des matériaux différents pour optimiser les performances et assurer la longévité tout en gérant les coûts de production globaux, etc. Par la suite, différentes formes et structures pour différents matériaux ont également été utilisées pour améliorer et renforcer les performances de l'électrode, ce qui a donné naissance aux implants. Une autre partie de cette thèse consistait à prouver la supériorité du diamant sur les matériaux conventionnels, non seulement en termes de performances, de finesse et d'herméticité, mais aussi de capacité à résister à l'environnement hostile du corps humain. Un dispositif de test de longévité a également été installé et amélioré étape par étape pour démontrer la performance durable des échantillons de diamant complets. L'idée générale du projet NEURODIAM est de fabriquer les tout premiers implants en diamant intégral et cette thèse a fourni un important travail de R&D pour ce projet. Cette thèse démontre l'approche ascendante de la caractérisation d'un métal spécifique, du laboratoire aux tests in-vitro, avec la possibilité d'incorporer cette technologie pour une application in-vivo, et plus tard pour des tests sur les animaux, ce qui constitue certaines des étapes de la fabrication de bio-implants. La thèse présente le contexte et la description chronologique des procédures de fabrication et de caractérisation des différents types d'électrodes afin de comprendre les différentes parties des échantillons (parties conductrices et non conductrices) en utilisant des matériaux conventionnels, par exemple l'or et le SU8 : Or et SU8. Ensuite, les échantillons ont été adoptés avec le matériau spécifique au projet, c'est-à-dire le diamant, avec les modifications et les ajouts appropriés. Le TiN a été utilisé dans la structure pour réduire la résistance série des échantillons de diamant et le TiN nanostructuré a été utilisé, caractérisé et exploré en vue d'une utilisation ultérieure. Des processus de caractérisation électrochimique (par exemple : spectroscopie de bio-impédance, voltampérométrie cyclique, analyse de Nyquist) ont été utilisés pour comprendre les performances des échantillons et, après caractérisation, les inconvénients ont été modifiés, corrigés et les performances ont été optimisées. Enfin, le dispositif d'essai chronique a été mis en place pour prédire les performances des échantillons à long terme par rapport aux matériaux conventionnels. Cette installation utilise "Analog Discovery 2" pour mesurer et collecter les données des échantillons automatiquement et les enregistrer en temps réel. Le résultat principal de cette configuration est favorable à l'utilisation d'un matériau de base

One of the “never thought of before” developments is the current advancement in the field of biotechnology. The revolutionary Brain Computer Interface (BCI) has paved the way for scientific researchers everywhere to help fight birth defects, traumatic loss of a limb, and/or motor function of a specific area. This Ph.D. manuscript presents the work done with the target of fabricating full diamond implants. At first, conventional materials were used (as both conductive and non-conductive or passivation layers) to fabricate electrode samples to understand and study the behavior of traditional matter in an electrochemical environment. This study paved the way for fabricating electrodes of similar shapes and sizes, but with different materials to optimize performance, and ensure longevity while managing overall production costs, etc. Later, different shapes and structures for different materials were also employed to ameliorate and enhance the performance of the electrode, resulting in the implants. Another part of this thesis was to prove the superiority of diamond over conventional materials not only in terms of performance, thinness, and hermeticity but also in its ability to withstand the hostile environment of the human body. A longevity test setup was also installed and improved step by step to demonstrate the lasting performance of the full diamond samples. The global idea of the project NEURODIAM is fabricating the first-ever full diamond implants and this thesis provided important R&D work for this project. Going forward, this thesis demonstrates the bottom-up approach to characterizing a specific metal from laboratory to in-vitro tests and with the possibility to incorporate that technology for application in-vivo, and later animal testing, which is some of the steps of fabricating bio-implants. The thesis gives context and chronological description of the fabrication and characterization procedures of the different types of electrodes to understand the different parts of the samples (conducting and non-conducting parts) using conventional materials, eg: Gold and SU8. After the samples were adopted with the project-specific material, i.e., diamond along with proper modification and addition. TiN was used in the structure to reduce the serial resistance of the full Diamond samples and nanostructured TiN was used and characterized and explored for further use. Electrochemical characterization processes (eg: Bio-impedance Spectroscopy, Cyclic Voltammetry, Nyquist Analysis) were employed to understand the performance of the samples and upon characterization the drawbacks were modified, corrected and the performance was optimized. Finally, the chronic test setup was established to predict the performance of the samples in the long run compared to conventional material. This setup uses “Analog Discovery 2” to measure and collect the data of the samples automatically and save those in real time. The primary result of the said setup is favorable toward diamond and is added to the manuscript