Grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, électriques et chimiques, les dispositifs organiques électroniques à base de polymères conducteurs peuvent résoudre l’incompatibilité entre les modules électroniques rigides en silicone et les exigences des tissus mous qui constituent l’environnement biologique. Les avancées en matière de semiconducteurs organiques et en microélectronique ont donné naissance à la bioélectronique. Cette discipline emploie des capteurs à des fins diagnostiques, telles que la détection des métabolites ou la mesure d’un potentiel d’action neuronal, et des actionneurs à des fins thérapeutiques, comme l’application locale d’un traitement à l’intérieur même du corps, ou la stimulation cérébrale profonde afin de guérir un trouble neurologique. En bioélectronique, l’utilisation de matériaux organiques, tels que le polymère conducteur poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate de sodium (PEDOT:PSS) a permis de développer des composants électroniques biomédicaux de qualité exceptionnelle, comme par exemple le transistor organique électrochimique (OECT), qui ont été testés in vitro et in vivo. Ce manuscrit explique en détail la fabrication, la fonctionnalisation et la caractérisation du OECT à base de PEDOT:PSS. Afin de pouvoir intégrer ce capteur à des systèmes de mesure biomédicaux déjà établis, l’OECT est intégré à des circuits simples, tels qu’un amplificateur de tension ou un pont de Wheatstone. Ces circuits sont mis à l’épreuve de la pratique clinique, dans le cas de mesures électrocardiographiques, ou de détection de métabolites dans des cellules cancéreuses. Cela permet d’apprécier à la fois leur applicabilité, et leurs limites. / Due to their outstanding mechanical, electrical and chemical properties, organic electronic devices based on conducting polymers can bridge the gap between the rigid silicon based read-out electronics and the soft biological environment and will have a huge impact on the medical healthcare sector. The recent advances in the field of organic semiconductors and microelectronics gave rise to a new discipline termed bioelectronics. This discipline deals with sensors for diagnostic purposes, ranging from metabolite detection and DNA recognition all the way to single neuronal firing events, and actuators for therapeutic purposes, through for example active local drug delivery inside the body or deep brain stimulation to cure neurological disorder. The use of organic materials such as the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) in the field of bioelectronics has brought about a variety of outstanding electronic biomedical devices, such as the organic electrochemical transistor (OECT), that have been implemented for both in vitro and in vivo applications. The present manuscript gives a detailed explanation of the fabrication, functionalization and characterization of OECTs based on PEDOT:PSS. To be able to intercept this sensor element with traditional biomedical recording systems, the OECT is implemented into simple circuit layouts such as a voltage amplifier or a Wheatstone bridge. These sensor circuits are then applied to real-life biomedical challenges, such as electrocardiographic recordings or metabolite detection in tumor cell cultures, to demonstrate their applicability as well as their limitations.

Cette thèse présente un système bioélectronique prometteur, l'Hynet. Ce Réseau Hybride (vivant-artificiel) est conçu pour l'étude du comportement à long terme des cellules électrogénératrices, comme les neurones et les cellules betas, en deux aspects : l'individuel et en réseau. Il est basé sur une boucle fermée et sur la communication en temps réel entre la culture cellulaire et une unité artificielle (Matériel, Logiciel). Le premier Hynet utilise des Matrices d'électrodes (MEA) commerciales qui limitent les performances spatiotemporelles du Hynet. Une nouvelle Matrice d'électrodes intelligente (iMEA) est développée. Ce nouveau circuit intégré, analogique et mixte, fournit une interface à forte densité, à forte échelle et adaptative avec la culture. Le nouveau système améliore le traitement des données en temps réel et une acquisition faible bruit du signal extracellulaire.

Les systèmes bioélectroniques tels que les biopiles enzymatiques nécessitant souvent l'utilisation des assemblages moléculaires complexes comprenant le cofacteur de l'enzyme, des agents de couplage et des médiateurs électrochimiques. Afin de les simplifier, nous avons remplacé ces différents partenaires par 13 analogues simples à synthétiser après identification par criblage in silico. Le noyau aromatique est couplé à un noyau aromatique et puis un médiateur électrochimique est couplé à celui-ci. Les produits sont des poudres de couleurs variées (rose, rouge). Le rendement de la première étape est de 83% avec une pureté d'environ 92%. Le rendement de la seconde étape est compris entre 45% et 65% avec une pureté de 97%. Ces analogues ont été caractérisés chimiquement (RMN, spectrométrie de masse) et électrochimiquement (voltammétrie cyclique et spectroélectrochimie). Les activités de deux enzymes, la formiate déshydrogénase (FDH) et l'alcool déshydrogénase de foie de cheval (HLADH), et d'un catalyseur organométallique, le [Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+, ont été évaluées avec ces analogues. De faibles activités ont été observées en présence de l'HLADH avec 4 analogues et en présence de la FDH avec un seul analogue. Au contraire aux enzymes, la réduction d'un médiateur a pu été confirmée en présence du catalyseur [Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+ par voltammétrie cyclique. La FDH native n'est pas adaptée à fonctionner avec ces nouveaux substrats solubles dans un LI, le [MMIm][Me2PO4]. Une FDH tolérante (N187S/T321S) au [MMIm][Me2PO4] précédemment obtenue par évolution dirigée a été donc étudiée en isolant les simples mutants N187S et T321S. Le double mutant N187S/T321S et le simple mutant N187S sont 4 fois plus actifs en solution aqueuse et en présence de LI. Des analyses par spectroscopie de fluorescence ont montré que la simple mutation N187S favorise la stabilité du dimère de FDH en modifiant le pKa de l'acide aminé E163. Celui-ci est impliqué dans la thermostabilité et la tolérance des FDHs aux LIs / Bioelectrical systems, such as enzymatic biofuel cells, often require a molecular construction complex comprising the enzyme cofactor, intermediary molecules and electrochemical mediators. In order to simplify them, we have replaced these different partners by 13 analogs that are simple to synthesize after identification by screening in silico. The nicotinamide ring is coupled to an aromatic moiety and an electrochemical mediator is then coupled to it as well, resulting in various colored powders (pink, red). The first step' s yield is around 83% with a purity of approximately 92%. The second step's yield is comprised between 45% and 65% with a purity of 97%. The analogs were characterized chemically (NMR, mass spectrometry) and electrochemically (cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry). The activities of two enzymes, the formate dehydrogenase (FDH) and the horse liver alcohol dehydrogenase (HLADH), and an organometallic catalyst, [Cp*Rh(bpy)H2O]2+, were evaluated with these analogs. Weak activities were observed for 4 analogs using the HLADH and 1 analog using the FDH. Unlike the enzymes, the reduction of a conjugated mediator was confirmed with the catalyst [Cp*Rh(bpy)H2O]2+ using cyclic voltammetry. The wild type FDH is not adapted to function with these new substrates, which can be solubilized in an IL such as [MMIm][Me2PO4]. An FDH (N187S/T321S) shown to be tolerant to [MMIm][Me2PO4], and obtained previously by directed evolution, was studied by isolating the two single mutants, N187S and T321S. The double mutant N187S/T321S and the mutant N187S are 4 times more active in aqueous solution and in [MMIm][Me2PO4]. Fluorescence spectroscopy analyses showed that the single mutation N187S favorises FDH dimer stability by modifying the pKa of the amino acid E163. The latter is involved in FDH thermal stability and tolerance in ILs

L’enregistrement et la stimulation in vivo de l’activité neuronale peuvent aussi bien servir pour la recherche médicale que pour les interfaces cerveau-machine. Les dispositifs à base d’électronique organique sont de prometteurs candidats pour ce faire, grâce à leur flexibilité et leur biocompatibilité. Le contrôle local de l’activité neuronale est la clé de nombreuses stratégies thérapeutiques visant à traiter les troubles neurologiques. Une solution idéale serait donc de fabriquer un dispositif capable de détecter l’activité neuronale et, en réponse, d’injecter des molécules endogènes. L’un des objectifs de cette thèse est de s’attaquer à cette problématique à l’aide d’un dispositif permettant à la fois de stimuler les cellules, et de mesurer l’activité neuronale, au même endroit, à l’échelle cellulaire. Nous présentons un dispositif organique capable de délivrer précisément des neurotransmetteurs in vitro et in vivo. En convertissant un signal électrique en la délivrance de neurotransmetteurs, le dispositif mime le fonctionnement d’une synapse. Le neurotransmetteur inhibiteur, l’acide γ- aminobutyrique (GABA), est relargué au niveau des électrodes d’enregistrement par l’activation d’une pompe ionique électronique. L’injection du GABA engendre l’arrêt de l’activité épileptique qui a été enregistré au niveau des électrodes. Des dispositifs multifonctionnels ouvrent de nombreuses possibilités, incluant des dispositifs thérapeutiques avec des boucles de retour, avec lesquels l’enregistrement local de signaux régule la délivrance d’agents thérapeutiques. De plus, nous avons également réalisé pendant cette thèse l’intégration de transistors organiques sur un film organique ultra fin, pour mesurer les signaux électrophysiologiques in vivo à la surface d’un cerveau de rat. Le dispositif, implanté de façon épidurale, montre des résultats surpassant certains dispositifs subduraux de taille similaire, permettant ainsi une approche moins invasive et efficace pour mesurer l’activité neuronale. / Recordings and stimulation of in vivo neural activity are necessary for diagnostic purposes and for brain-machine interfaces. Organic electronic devices constitute a promising candidate due to their mechanical flexibility and biocompatibility. Local control of neuronal activity is central to many therapeutic strategies aiming to treat neurological disorders. Arguably, the best solution would make use of endogenous highly localized and specialized regulatory mechanisms of neuronal activity, and an ideal therapeutic technology should sense activity and deliver endogenous molecules simultaneously to achieve the most efficient feedback regulation. Thus, there is a need for novel devices to specifically interface nerve cells. Here, we demonstrate an organic electronic device capable of precisely delivering neurotransmit- ters in vitro and in vivo. In converting electronic addressing into delivery of neurotransmit- ters, the device mimics the nerve synapse. The inhibitory neurotransmitter, -aminobutyric acid (GABA), was actively delivered and stopped epileptiform activity, recorded simultaneously and colocally. These multifunctional devices create a range of opportunities, including implantable therapeutic devices with automated feedback, where locally recorded signals regulate local release of specific therapeutic agents. In addition, we demonstrate the engineering of an organic electrochemical transistor embedded in an ultrathin organic film designed to record electrophysiological signals on the surface of the brain. The device was applied in vivo and epidurally implanted could reach capabilities beyond similar sized electrodes allowing minimally invasive monitoring of brain activity.

Les fibres amyloïdes sont des biomatériaux prometteurs pour la bioélectronique, en particulier pour l’interfaçage avec les systèmes biologiques. Ces fibres, formées par l’auto-assemblage de protéines, sont aisément synthétisables et modifiables/fonctionnalisables. Elles possèdent de surcroît des propriétés physiques remarquables notamment en termes de stabilité et de résistance mécanique. Nous avons étudié les mécanismes de conductions de charges dans les fibres formées par la protéine HET-s(218-289), seules fibres amyloïdes dont la structure atomique soit connue. Les échantillons ont été caractérisés électriquement et électrochimiquement sous la forme de films « secs ». L’influence de plusieurs paramètres sur la conductivité, entre autres la température, l’humidité ou encore la lumière, a été investiguée. Nous avons montré que l’organisation de la protéine en fibres permet la mise en place de processus de transport de charges intrinsèques. De plus, l’eau joue un rôle essentiel dans ces mécanismes et les principaux porteurs de charges sont certainement des protons. En parallèle, une simulation de dynamique moléculaire appuyée notamment par des expériences de diffusions des neutrons, a mis en évidence une forte interaction entre l’eau et les fibres. Deux canaux d’eau stabilisés par liaisons hydrogènes se formeraient le long des fibres. Ces derniers peuvent permettre le transport de protons par un mécanisme de type Grotthuss. Des réactions électrochimiques, en particulier l’électrolyse de l’eau, seraient la source des protons transportés grâce aux fibres. Cela conduit à l’instauration d’un courant catalytique à partir d’un seuil de tension de polarisation. Enfin, deux effets photo-électriques ont été observés lorsque les fibres sont irradiées entre 200 et 400 nm. Le premier est un photo-courant qui serait dû à la photolyse de l’eau adsorbée dans les échantillons. Le second, qualifié de « photo-courant inverse », se produit plus spécifiquement à la longueur d’onde de 280nm et seulement en présence de dioxygène. Il engendre une diminution de la conductivité. Cela serait dû à une réaction entre l’état triplet des tryptophanes des fibres et le dioxygène, captant in fine des protons. / Amyloid fibers are very promising biomaterials for bioelectronics, especially for interfacing with biological systems. These self-assembled proteins fibers are easy to synthetize, to tune and to functionalize. Their physical properties such as stability and mechanical strength are noticeable. We studied charge transport processes in HET-s(218-289), the only amyloid fibers we know the atomic structure. The samples were characterized as “dried” films by electrical measurement and electrochemistry. The influence of several parameters such as temperature, humidity or light was investigated. We demonstrated that the fiber organization allows intrinsic charge transport mechanisms in which water plays a crucial role. Furthermore, the dominant charge carriers would be protons. Molecular dynamic simulation and neutron diffusion experiments run in parallel show strong water-fibers interactions. In particular, H-bonded water wires can be formed along the fibers and support proton transport according to a Grotthuss-like mechanism. Proton production would result from electrochemical reactions, especially from water electrolysis. Therefore a catalytic current is detected when the bias exceeds a certain threshold. In addition, two photoelectric phenomena were observed when the fibers are irradiated with near UV light (200-400nm). The first one is a photocurrent probably due to water photo-splitting. The other occurs specifically at 280nm wavelength and in the presence of molecular oxygen. It leads to a decrease of the sample conductivity. This likely results from chemical reaction(s) between triplet-state tryptophan and oxygen that consumes protons.

La bioélectronique est un domaine interdisciplinaire qui étudie les interconnexions et les interactions entre entités biologiques (cellules, tissus, organes) et systèmes électroniques,par l’intermédiaire du transducteur adéquat. Pour des cellules ou des tissus excitables (neurones, muscles, ...), le transducteur prend la forme d’une simple électrode, car ces tissus produisent une activité électrique spontanée ou, dans le sens inverse, peuvent être excités par un signal électrique externe. Cette communication bidirectionnelle donne lieu à deux schémas expérimentaux : l’acquisition et la stimulation. L’acquisition consiste à enregistrer, traiter et analyser les bio-signaux alors que la stimulation consiste à appliquer le courant électrique adéquat aux tissus vivants, pour déclencher une réaction. Cette thèse se concentre sur ce dernier point : deux générations de système de stimulation ont été développées, chacune basée sur un circuit intégré spécifique et adaptée à différents contextes applicatifs.Tout d’abord, le cadre scientifique a été celui du projet CENAVEX, axé sur la stimulation électrique fonctionnelle pour réhabiliter la fonction respiratoire, suite à une lésion de la moelle épinière. Ensuite, les objectifs de conception ont été étendus pour couvrir de nouveaux besoins d’application : la surveillance de l’impédance électrique in situ et l’exploration des formes d’onde de stimulation originales. Le premier pourrait être une solution pour suivre la réaction tissulaire après l’implantation d’une électrode, contribuant ainsi à la biocompatibilité à long terme des implants ; le second propose d’aller au-delà dela conventionnelle impulsion biphasique carrée et d’explorer de nouvelles formes d’ondes qui pourraient être plus efficaces en termes de consommation d’énergie, pour un effet physiologique donné.Le travail présenté dans ce manuscrit contribue à la conception, à la fabrication et au test de dispositifs de stimulation innovants. Cela a conduit au développement de deux circuits intégrés et de deux dispositifs de stimulation permettant une stimulation multicanal.Les caractérisations électriques et les validations biologiques, de la faisabilité in vitro aux expériences in vivo, ont été menées et sont décrites dans ce manuscrit. / Bioelectronics is a cross-disciplinary field that studies interconnections and interactions between biological entities (cells, tissues, organs) and electronic systems, using the adequate transducer. For excitable cells or tissues (neurons, muscles, . . . ), the transducer takes the form of a simple electrode, as these tissues produce a spontaneous electrical activity or,in the opposite way, may be excited by an external electrical signal. This bi-directional communication gives rise to two experimental schemes: acquisition and stimulation. Acquisition consists in recording, processing and analyzing bio-signals whereas stimulation consists in applying the adequate electrical current to living tissues in order to trigger a reaction. This thesis focuses on the latter: two generations of stimulation systems have been developed, both being centered on an Application Specific Integrated Circuit, and adapted to different application contexts. First, the scientific framework was given by the CENAVEX project, focusing on Functional Electrical Stimulation to rehabilitate the respiratory function, following a Spinal Cord Injury. Then, the design objectives were extended to cover new application needs:in situ electrical impedance monitoring and exploration of original stimulation wave forms.The first one could be a solution to follow the tissue reaction after electrode implantation,hence contributing to long-term biocompatibility of implants; the second one proposes to go further the conventional constant biphasic pulse and explore new wave forms that couldbe most efficient in terms of energy consumption, for a given physiological effect.The work presented in this manuscript is a contribution to the design, fabrication and test of innovative stimulation devices. It leaded to the development of two integrated circuits and two stimulation devices permitting multichannel stimulation. Both electrical characterizations and biological validations, from in vitro feasibility to in vivo experiments, have been conducted and are described in this manuscript.

Le domaine des biopuces et biocapteurs évolue dans le sens de la miniaturisation. La problématique qui apparait alors concerne l'adressage et l'immobilisation des biomolécules sur des structures devenant de plus en plus petites et intégrées dans des environnements fragiles. Le robot Bioplume a été retenu comme méthode d'adressage, pour la pertinence de l'échelle concernée (1-50µm) et le fort potentiel pressenti de la technique. Le dépôt de biomolécules et la technique spot-dans-spot ont été développés, ce qui réduit de 106 à 109 fois les quantités d'échantillons biologiques. Quatre méthodes d'immobilisation ont ensuite été mises en œuvre, afin d'appréhender les performances et les contraintes de chacune : la silanisation par GPTS, l'auto-assemblage d'alcanethiols, l'utilisation du polymère PLLgPEG et enfin l'électrodépôt par oxydation de pyrrole. L'adaptation de cette méthode électrochimique au robot Bioplume a permis d'apporter une solution efficace à la fois en termes d'adressage et en termes d'immobilisation, car la réaction d'immobilisation est réalisée simultanément au dépôt. Elle a donc été retenue pour deux applications : d'abord la réalisation de matrices de cellules isolées, avec détection par SPRi, puis le dépôt sur la section de fibres optiques. Enfin, trois nouvelles pistes dans le domaine de l'électrochimie localisée ont été explorées : l'électrodésorption de PLLgPEG, la miniaturisation des gouttes grâce à des pointes nanométriques, et enfin l'électrodépôt sur des microélectrodes dédiées. L'une des perspectives principales est la valorisation industrielle du robot Bioplume. Un nouveau prototype est ainsi développé afin de produire des biopuces à haute densité.

La bioélectronique est un domaine transdisciplinaire qui oeuvre, entre autres, àl’interconnexion entre des systèmes biologiques présentant une activité électrique et le mondede l’électronique. Cette communication avec le vivant implique l’observation de l’activitéélectrique des cellules considérées et nécessite donc une chaine d’acquisition électronique.L’utilisation de Multi/Micro Electrodes Array débouche sur des systèmes devantacquérir un grand nombre de canaux en parallèle, dès lors la consommation etl’encombrement des circuits d’acquisition ont un impact significatif sur la viabilité dusystème destiné à être implanté.Cette thèse propose deux réflexions à propos de ces circuits d’acquisition. Une ces desréflexions a trait aux circuits d’amplification, à leur impédance d’entrée et à leurconsommation ; l’autre concerne un détecteur de potentiels d’action analogique, samodélisation et son optimisation.Ces travaux théoriques ayant abouti à des résultats concrets, un ASIC a été conçu,fabriqué, testé et caractérisé au cours de cette thèse. Cet ASIC à huit canaux comporte doncdes amplificateurs et des détecteurs de potentiels d’action analogiques et constitue le principalapport de ce travail de thèse. / Bioelectronics is a transdisciplinary field which develops interconnection devicesbetween biological systems presenting electrical activity and the world of electronics. Thiscommunication with living tissues implies to observe the electrical activity of the cells andtherefore requires an electronic acquisition chain.The use of Multi / Micro Electrode Array leads to systems that acquire a large numberof parallel channels, thus consumption and congestion of acquisition circuits have asignificant impact on the viability of the system to be implanted.This thesis proposes two reflections about these acquisition circuits. One of thesereflections relates to amplifier circuits, their input impedance and consumption; the otherconcerns an analogue action potentials detector, its modeling and optimization.These theoretical work leading to concrete results, an ASIC was designed,manufactured, tested and characterized in this thesis. This eight-channel ASIC thereforeincludes amplifiers and analogue action potentials detector and is the main contribution of thisthesis.

Cette thèse présente un système bioélectronique prometteur, l’Hynet. Ce Réseau Hybride (vivant-artificiel) est conçu pour l’étude du comportement à long terme des cellules électrogénératrices, comme les neurones et les cellules betas, en deux aspects : l’individuel et en réseau. Il est basé sur une boucle fermée et sur la communication en temps réel entre la culture cellulaire et une unité artificielle (Matériel, Logiciel). Le premier Hynet utilise des Matrices d’électrodes (MEA) commerciales qui limitent les performances spatiotemporelles du Hynet. Une nouvelle Matrice d’électrodes intelligente (iMEA) est développée. Ce nouveau circuit intégré, analogique et mixte, fournit une interface à forte densité, à forte échelle et adaptative avec la culture. Le nouveau système améliore le traitement des données en temps réel et une acquisition faible bruit du signal extracellulaire. / This thesis presents a promising new bioelectronics system, the Hynet. The Hynet is a Hybrid (living-artificial) Network, developed to study the long-term behavior of electrogenic cells (such as Neurons or Beta-cells), both individually and in a network. It is based on real-time closed-loop communication between a cell culture (bioware) and an artificial processing unit (hardware and software). In the first version of our Hynet, we use commercial Multielectrode Arrays (MEA) that limits its spatiotemporal performances. A new Intelligent Multielectrode Array (iMEA) is therefore developed. This new analog/mixed integrated circuit provides a large-scale, high-density, and adaptive interface with the Bioware, which improves the real-time data processing and the low-noise acquisition of the extracellular signal. / Esta dissertação de doutorado apresenta um sistema bioeletrônico auspicioso, o Hynet. Esta Rede Híbrida (viva e artificial), é concebida para o estudo do comportamento à longo prazo de células eletrogeneradoras (como neurônios ou células beta), em dois aspectos : individual e em redes. Ele é baseado na comunicação bidirecional, em laço fechado e em tempo real entre uma cultura celular (Bioware) e uma unidade artificial (Hardware ou Software). Um primeiro Hynet é apresentado, mas o uso de Matrizes de Eletrodos (MEA) comerciais limita a performance do sistema. Finalmente, uma nova Matriz de Eletrodos Inteligente (iMEA) é desenvolvida. Este novo circuito integrado fornece uma interface adaptativa, em alta densidade e grande escala, com o Bioware. O novo sistema melhora o processamento de dados em tempo real e a aquisição baixo ruído do sinal extracelular.