Nanotool-based platform for neuronal activity monitoring at the single cell level
Plate-forme de nano-dispositifs pour le suivi de l'activité neuronale au niveau de la cellule individuelle
Résumé
Historically electrophysiology started between the 1600-1700, with the first studies on animals 'muscles. Modern electrophysiology is in great growth because of lack of understanding of electrogenic cells functioning basic mechanisms. This project aims to the development of a bio platform that opens the possibilities to study these mechanisms. The electrogenic cell under analysis are neurons. Different approaches have been taken to study these cells, mainly divided in in-vivo and in-vitro technologies. The developed bio platform is considered as part of the in-vitro technologies, with advantages brought by microfabrication. State-of-the-art devices are presented together with solutions created to obtain multiple sensing possibilities. The objectives of the project are divided in three main areas: the study of the device performance and the multi-sensing possibility; the achievement of subcellular interfacing and axogenesis; theoretical modelling of the system and investigation of biologically relevant questions. The bio platform large-scale compatible microfabrication process is presented. The most critical steps, fundamental for the co-integration of different type of sensors, are explained. A complete description of the entire series of step to obtain a working bio platform is done. The microfabrication process includes classical and projection photolithography, DRIE, wet etch, CVD, PECVD, ALD, and RTA. The realization of FinFETs devices is explained. The process is done on a 4" Silicon On Insulator (SOI) substrate. A study on the packaging techniques has been done. The classical flip-chip technique where the electrodes connections are obtained with gold bumps is substituted with the use of solder paste by serigraphy. It resulted in a more reliable series of connections and a more cost-effective solution. Electrical field potential theory is presented for the nanostructured electrodes of the bio platform. From the theory, an electrical equivalent circuit is proven to be a valuable model for the system via electrochemical impedance spectroscopy characterization of the electrodes and fitting of the data with simulation from the model. Moreover, the use of FinFETs devices as pH sensors is explained. Detailed characterization of these active devices was conducted and the analysis comparing different conditions and materials is presented. Obtaining a level of subcellular control and interfacing between the cells and the electrodes is a subject largely studied in modern research. The specific protocols to conduct a rat primary neuron is described. Different solutions to guide cell growth are discussed: topographic structuration; surface functionalization; microchannels. Being focused on the neuronal axogenesis, the control of axonal growth and cell network formation, the use of microchannels was the chosen solution. Two different methods to obtain these microchannels are presented. The first one includes a particular photolithography step that takes advantages of projection lithography optical effects to structure SU-8 photoresist. The second is based on the use of PDMS, a classical broadly used polymer in microfluidics, to obtain the same result. Both methods have some advantages and drawbacks that are discussed. [...]
Historiquement, l'électrophysiologie a commencé entre les années 1600 et 1700. L'électrophysiologie moderne est en grande croissance en raison du manque de compréhension mécanismes de base des cellules électrogéniques. Ce projet vise le développement d'une plateforme qui ouvre les possibilités d'étudier ces mécanismes. Les cellules analysées sont des neurones. Différentes approches ont été adoptés pour étudier ces cellules, principalement divisées en technologies in vivo et in vitro. La plateforme développée est considérée comme faisant partie des technologies in vitro, avec des avantages apportés par la micro-fabrication. Des dispositifs à la pointe de la technologie sont présentés avec des solutions créées pour obtenir de multiples possibilités de détection. Les objectifs du projet sont divisés en trois domaines : l'étude des performances du dispositif et la possibilité de détection multi-physique ; la réalisation de l'interfaçage subcellulaire et de l'axogenèse; modélisation théorique du système et investigation de questions biologiques. Le procédé de micro-fabrication compatible à grande échelle de la bio-plateforme est présenté. Les étapes principales pour la cointégration de différents types de capteurs sont expliquées. Une description complète de toutes les étapes pour obtenir une plateforme fonctionnelle est faite. Le procédé de micro-fabrication comprend la photolithographie classique et par projection, DRIE, gravure humide, CVD, PECVD, ALD et RTA. La réalisation des FinFETs est expliquée. Le procédé est effectué sur un substrat SOI de 4 pouces. Une étude sur les techniques d'assemblage a été réalisée. Le report de puce où les connexions des électrodes sont obtenues avec des bump d'or est remplacée par l'utilisation de pâte à braser par sérigraphie permet l'obtention de connexions plus fiables et une solution plus rentable. La théorie du potentiel de champ électrique est présentée pour les électrodes nanostructures de la bio-plateforme. Un circuit électrique équivalent s'est avéré être un modèle précieux pour le système via la caractérisation par spectroscopie d'impédance électrochimique des électrodes et l'ajustement des données avec simulation à partir du modèle. L'utilisation de dispositifs FinFET comme capteurs de pH est expliquée. Une caractérisation détaillée de ces dispositifs a été réalisée et l'analyse comparant différentes conditions et matériaux est présentée. L'obtention d'un niveau de contrôle subcellulaire et d'interfaçage entre les cellules et les électrodes est un sujet largement étudié dans la recherche moderne. Le protocole spécifique pour la culture des neurones primaire de rat est décrit. Différentes solutions pour guider la croissance cellulaire sont discutées : structuration topographique ; fonctionnalisation de surface ; micro-canaux. L'utilisation de micro-canaux a été la solution choisie pour le contrôle de la croissance axonale. Deux méthodes différentes pour obtenir ces micro-canaux sont présentées. Le premier comprend une étape de photolithographie qui tire parti des effets optiques de lithographie par projection pour structurer la résine photosensible SU-8. Le second est basé sur l'utilisation du PDMS, un polymère classique largement utilisé en micro fluidique. Les deux méthodes présentent certains avantages et inconvénients qui sont discutés.[...]
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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