Implantable microelectrodes on soft substrate with nanostructured active surface for stimulation and recording of brain activities

摘要

Les prothèses neuronales implantables offrent de nos jours une réelle opportunité pour restaurer des fonctions perdues par des patients atteints de lésions cérébrales ou de la moelle épinière, en associant un canal non-musculaire au cerveau ce qui permet la connexion de machines au système nerveux. La fiabilité sur le long terme de ces dispositifs, se présentant sous la forme d'électrodes implantables, est un facteur crucial pour envisager des applications dans le domaine des interfaces cerveau-machine. Cependant, les électrodes actuelles pour l'enregistrement et la stimulation se détériorent en quelques mois voire quelques semaines. Ce défaut de fiabilité sur le long terme, principalement lié à une réaction chronique contre un corps étranger, est induit au départ par le traumatisme consécutif à l'insertion du dispositif et s'aggrave ensuite, durant les mouvements du cerveau, à cause des propriétés mécaniques inadaptées de l'électrode par rapport à celles du tissu. Au cours du temps, l'ensemble de ces facteurs inflammatoires conduit à l'encapsulation de l'électrode par une couche isolante de cellules réactives détériorant ainsi la qualité de l'interface entre le dispositif implanté et le tissu cérébral. Pour s'affranchir de ce phénomène, la biocompatibilité des matériaux et des procédés, ainsi que les propriétés mécaniques de l'électrode doivent être pris en considération. Durant cette thèse, nous avons abordé la question en développant un procédé de fabrication simple pour réaliser des dispositifs implantables souples en parylène. Les électrodes flexibles ainsi obtenues sont totalement biocompatibles et leur compliance est adaptée à celle du tissu cérébral ce qui limite fortement la réaction inflammatoire occasionnée par les mouvements du cerveau. Après avoir optimisé le procédé de fabrication, nous avons focalisé notre étude sur les performances du dispositif et sa stabilité. L'utilisation d'une grande densité d'électrodes micrométriques, avec un diamètre de 10 à 50 µm, permet de localiser les zones d'enregistrement en rendant possible, par exemple, la conversion d'un ensemble de signaux électrophysiologiques en une commande de mouvement. En contrepartie, la réduction de la taille des électrodes conduit à une augmentation de l'impédance ce qui dégrade la qualité d'enregistrement des signaux. Ici, un polymère conducteur organique, le poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, a été utilisé pour améliorer les caractéristiques électriques d'enregistrement d'électrodes de petites dimensions. Le PEDOT a été déposé sur la surface des électrodes par électrochimie avec une grande reproductibilité. Des dépôts homogènes avec des conductivités électriques très élevées ont été obtenus en utilisant différents procédés électrochimiques. Grâce à l'augmentation du rapport surface/volume induit par la présence de la couche de PEDOT, une diminution significative de l'impédance de l'électrode (jusqu'à 3 ordres de grandeur) a été obtenue sur une large plage de fréquences. De tests de vieillissement thermique accéléré ont également été effectués sans influence notable sur les propriétés électriques démontrant ainsi la stabilité de la couche de PEDOT durant plusieurs mois. Les dispositifs ainsi obtenus, fabriqués en parylène avec un dépôt de PEDOT sur la surface active des électrodes, ont été testés in vitro et in vivo sur des cerveaux de souris. Un meilleur rapport signal sur bruit a été mesuré durant des enregistrements neuronaux en comparaison avec des résultats obtenus avec des électrodes commerciales. En conclusion, la technologie décrite ici, associant stabilité sur le long terme et faible impédance, a permis d'obtenir des électrodes implantables parfaitement adaptées pour le développement d'interfaces neuronales chroniques.