Développement d'un procédé de fabrication assisté par laser de Matrices de Microélectrodes (MEA) pour l'interfaçage de cellules électrogéniques.

Laser-Induced forward Transfer of Highly sensitive Microelectrodes Arrays for the interfacing of electrogenic cells – LIFT-MEA

• Auteur / Autrice : Enzo Rolando
• Direction : David Grojo, Adrien Casanova
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : BIOPHYSIQUE
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LP3 - Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques

Mots clés

Mots clés libres

Impression assistée par laser

Matrices de microélectrodes

Electrodes 3D

Enregistrement de potentiels d'action

Cellules électrogéniques

Laser-assisted printing

Microelectrodes arrays

3D electrodes

Recording of action potentials

Electrogenic cells

Résumé

Ce projet de thèse s'inscrit dans un projet à fort caractère interdisciplinaire, visant à adapter des technologies laser de pointe pour des applications dans le domaine de l'électronique du vivant et de la santé. La complexité de certains organes constitue, pour les biologistes, un obstacle majeur pour décrypter leur fonctionnement et mieux comprendre certaines pathologies. Dans ce cadre, l'utilisation de modèles biologiques in vitro simplifiés est donc une voie d'étude prometteuse pour tenter d'améliorer notre compréhension. Dans le cas des cellules électriquement actives (réseaux neuronaux, cardiomyocytes, cellules musculaires...), ces études nécessitent des outils d'enregistrement à haute résolution pour étudier et comprendre leur fonctionnement et l'utilisation de dispositifs d'enregistrement multi-sites tels que les réseaux de microélectrodes (MEAs) sont des outils précieux. Au cours des dernières décennies, la technologie des MEAs n'a cessé d'être améliorée. Plusieurs approches ont été développées allant de la modification de la surface de l'électrode (nanotubes de carbone, Ti3N4, PEDOT), au développement d'électrodes tridimensionnelles (nanofils, « mushrooms ») permettant de limiter l'impédance d'interface et ainsi améliorer le rapport signal/bruit du capteur. Dans ce contexte, l'émergence des techniques d'impression 3D et notamment leur utilisation récente pour la fabrication de capteurs chimiques et biologiques semble être un atout majeur pour poursuivre le développement de la technologie MEA et apporter de nouvelles solutions versatiles et faible coût. Parmi ces technologies, l'impression par jet d'encre a été largement utilisée et a montré de bons résultats mais souffre de plusieurs limitations en termes de résolution spatiale, de reproductibilité des dépôts, de colmatage des buses et d'impossibilité d'utiliser des bio-encres à haute viscosité. L'objectif de ce travail de thèse sera de tirer profit de la technique de dépôt assisté par laser (LIFT) pour la fabrication de réseaux multi-électrodes (MEA) à faible coût et à très haute sensibilité. Ce procédé d'impression assistée par laser, développé dans notre laboratoire depuis plus d'une décennie, est une technique innovante sans contact et sans buse permettant d'atteindre une résolution inférieure au micromètre. Une large gamme de viscosité peut être utilisée permettant d'imprimer un large panel de matériaux allant des métaux aux polymères pour la création de dispositifs électroniques et même des cellules vivantes. Sur la base de cette technique, nous proposons le développement d'un procédé de fabrication all-laser pour créer des MEAs avec une grande versatilité de design pour les sondes, une très faible consommation de temps et un faible coût. Ce procédé de fabrication sera basé sur quatre étapes principales : (i) l'impression par LIFT des électrodes d'enregistrement et des lignes conductrices, (ii) l'impression par LIFT de la couche de passivation et (iii) le collage sur un circuit imprimé par laser metal bonding (LMB). Dans un premier temps, le procédé d'impression laser devra être optimisé pour permettre l'impression à très haute résolution des différents matériaux composants la puce, puis une première preuve de concept sera réalisée en fabriquant une puce MEA conventionnelle par impression laser qui sera testée sur des cultures de cellules in vitro. La seconde étape de ce travail de thèse consistera à complexifier le design des électrodes pour améliorer leur résolution d'enregistrement (configurations 3D, fonctionnalisation de surface…) pour tenter d'interfacer des modèles biologiques plus complexes (Jonctions neuromusculaires, organoïdes…).

The aim of this interdisciplinary PhD project is to adapt advanced laser technologies for applications in the field of life electronics and health. The complexity of organs constitutes, for biologists, a major obstacle to deciphering their functioning and better understanding pathologies. In this context, the use of simplified in vitro biological models is therefore a promising avenue of study to try to improve our understanding. For electrogenic cells (neuronal networks, cardiomyocytes, muscle cells, etc.), these studies require high-resolution recording tools to study and understand their functioning and the use of multi-site recording devices such as microelectrode arrays (MEAs) are valuable tools. In this context, the emergence of 3D printing techniques and their recent use for the fabrication of chemical and biological sensors is a major asset to further develop MEA technology and provide new innovative solutions. The objective of our project is to take advantage of the many benefits of the laser-assisted deposition technique (LIFT) for the fabrication of low-cost, high-sensitivity and fully versatile multi-electrode arrays (MEAs). Its realisation will ensure easier access to MEA technology coupled with almost unlimited design versatility to address many biological questions