Study of nanostructured electrodes interfacing with biological cells

Au cours de ce travail de thèse, je présente les résultats de travaux de recherche visant à la fabrication et au développement d'une nouvelle génération d'implants cérébraux permettant l'enregistrement stable dans le temps de signaux électrophysiologiques. L'objectif est d'offrir une solution technologique pour le développement de nouvelles applications chroniques utiles pour l'investigation du fonctionnement du cerveau (ex : dynamique des réseaux de neurones, traitement de l'information) mais aussi nécessaires pour la mise au point de nouvelles technologies, de type Brain Computer Interface (BCI), qui devraient, à terme, permettre d'augmenter l'autonomie des patients atteints de troubles moteurs ou victimes d'accident ayant conduit à un handicap physique.Nous rapportons, à travers diverses études expérimentales, des arguments soutenant l'utilisation de matériaux nanostructurés et en particulier les nanotubes de carbone, pour permettre d'améliorer les performances électriques et pour diminuer leur impact sur la réponse immunitaire du cerveau induite par l'implantation d'un corps étranger. Ceci représente la principale limitation à l'utilisation d'implants de mesure sur de longues périodes.Notre étude couvre ainsi l'ensemble des problématiques relatives aux implants cérébraux, en abordant les techniques de fabrication, le protocole de caractérisation électrique et enfinl'évaluation biologique in vitro et in vivo.Dans un premier temps, nous avons développé une matrice de microélectrodes nanostructurées en utilisant les techniques de microfabrication. Ceci a permis de mettre en avant la diminution de l'impédance interfaciale des électrodes liée à l'augmentation de leurs surfaces développées et, par conséquent, l'amélioration de la qualité du signal due à la réduction du niveau de bruit de la mesure. Une analyse électrochimique complémentaire, nous a dans le même temps, permis d'établir un modèle qualitatif représentant les différents phénomènes mis en jeu et soulignant l'importance des phénomènes diffusifs lors de la mesure et leurs éventuelles conséquences in vivo.Cette première génération d'électrodes nous a également permis de mener une campagne de tests in vitro pour évaluer la cytotoxicité des nanotubes à partir de différents modèles cellulaires: cultures de lignées neuronales (NG108-15) et cellules primaires (cellules gliales7et neurones du cortex ou de l'hippocampe). Suite à ces expériences, aucune forme de toxicité n'a été décelée. Bien au contraire, l'évolution des cellules gliales pendant la culture tend à défendre l'idée que les nanotubes de carbone ont le potentiel de réduire la réaction immunitaire du cerveau. Nous avons testé ce phénomène in vivo grâce à l'analyse histologique de cerveaux de rats après une implantation sous-durale d'un mois avec des échantillons en nitrure de titane (TiN) avec ou sans nanotubes de carbone. Nos résultats confirment une réduction significative de la cicatrice gliale lors d'implantations avec des échantillons nanostructurés.Ces résultats suggèrent un possible impact des nanotubes de carbone sur la stabilité de la mesure dans le temps, autrement dit sur sa « biostabilité ». Nous avons donc implanté un macaque Fascicularis avec un système comportant 16 électrodes en TiN et 16 électrodes nanostructurées de 1mm², amincies à 25μm et montées sur un substrat en polyimide flexible.L'étude qui se situe dans le cadre du projet Neurolink (financé par l'ANR/PNANO),représente la première validation expérimentale sur une longue période et démontre les avantages tant électriques que biologiques de l'utilisation des nanotubes de carbone comme interface entre l'électrode et les neurones.During this work of thesis, I present the results of research works aiming at the manufacturing and to the development of a new generation of intellectual implants allowing the stable recording in the time of signals électrophysiologiques. The objective is to offer a technological solution for the development of new useful chronic applications for the investigation of the functioning of the brain (ex: dynamics of the networks of neurones, data processing) but also necessities for the development of new technologies, Brain Computer Interface ( BCI), which should, eventually, allow to increase the autonomy of the patients reached(affected) by driving disorders(confusions) or the victims of accident having led(driven) to a physical handicap. [résumé incomplet