Le diamant dopé bore (BDD) est un matériau extrêmement prometteur pour applications biomédicales par son unique combinaison de propriétés. Cette thèse a visé le développement de nouvelles structures de micro-électrodes en BDD et l'étude de leur intérêt et leurs performances pour des applications électroanalytiques et électrophysiologiques. En dépit de leurs propriétés électroanalytiques très supérieures à d'autres matériaux d'électrodes plus conventionnels, les électrodes BDD sont sujettes au "fouling", i.e. l'apparition d'un film à la surface du diamant qui réduit la réactivité électrochimique. Ceci est très compromettant dans des milieux complexes comme l'urine, les eaux stagnantes, des boissons, le plasma sanguin etc. Ici, un nouveau traitement d'activation a été développé pour nettoyer la surface des électrodes et recouvrir leur réactivité initiale, donc il permet leur usage pour de longues périodes d'enregistrement sans dégradation du signal. Ceci permet l'usage de ce type d'électrodes, pour des domaines d'applications, pour le suivi continu d'analytes, sans entretien spécifique, en solutions complexes. La grande originalité de ces techniques d'activation est qu'elle peut être menée directement dans l'analyte lui-même. En comparaison avec leurs équivalents en macro-électrodes, les microélectrodes permettent d'obtenir de plus grandes sensibilités, des courants résiduels moindre, des pertes ohmiques moindres, et donc des rapports signal à bruit meilleurs. Un procédé robuste et fiable a été optimisé pour la fabrication de réseaux de microélectrodes (MEA MicroElectrode Arrays) et d'ultra micro-électrodes, permettant par lithographie sur 4 pouces d'offrir une large flexibilité de fabrication. Par exemple, parmi d'autres prototypes, des microélectrodes BDD ont été utilisées pour applications de biocapteurs pour quantifier l'acide urique en temps quasi-réel. Bien que le diamant possède une très bonne biocompatibilité et des propriétés électrochimiques excellentes, la faible relative capacité de double couche limite leur application pour des applications électrophysiologiques. Des procédés de nanostructuration ont ainsi été mis au point pour accroitre les limites d'injection de charge. Parmi les approches, des procédés hybrides à base de polypyrrole se sont révélés prometteurs, de même que des procédés de gravure pour former de la "nano-herbe" diamant, très intéressantes pour la fabrication de MEAs en BDD. Ces matériaux à fort rapport d'aspect apparaissent comme d'excellents candidats pour applications d'interfaces neuronales et notamment pour la fabrication d'implants rétiniens.STAR

L'enregistrement extracellulaire d'activité électrique est une technique très répandue en neurosciences, mais son application aux îlots pancréatiques et cellules bêta n'est que très récente. La facilité d'utilisation des MEAs (Microelectrode Arrays, Matrices de Microélectrodes) a ouvert de nouvelles perspectives à l'électrophysiologie des cellules bêta, dont des méthodes de criblage en clinique ou des approches biocapteur pour le pancréas artificiel. Cette thèse contribue à la conception et la caractérisation d'un biocapteur hybride composé de cellules pancréatiques cultivées sur un MEA et d'un système électronique de traitement du signal. Le système ainsi réalisé est le fruit de collaborations et projets pluridisciplinaires menés à l'IMS (groupe bioélectronique), en partenariat avec le CBMN (biologie cellulaire et biocapteurs), tous deux au sein de l'Université de Bordeaux. Les projets faisaient également appel au service d'endocrinologie des Hôpitaux Universitaires de Bordeaux, Montpellier, Grenoble et Genève.Les projets en question incluent:- ISLET-CHIP (ANR 2013-PRTS-0017), qui explore une méthode pour évaluer la qualité d'un greffon pancréatique destiné à des patients diabétiques de type I.- BIODIA (EU FEDER), qui caractérise la réponse électrique d'îlots à des stimuli de glucose, hormones et médicaments pour des applications de criblage, différentiation cellulaire, et en boucle-fermée.- DIAGLYC (Bourse régionale 2017 1R30 226), qui étudie l'utilisation du biocapteur hybride comme un capteur pour le pancréas artificiel.La thèse aborde le biocapteur dans ses aspects à la fois électronique et biologique, son intégration dans des expériences appliquées, et ses résultats expérimentaux. Elle s'intéresse également à la modélisation d'une boucle de régulation chez le patient diabétique de type I.D'abord, le système d'analyse électronique est décrit. Issue de l'équipe Elibio, elle réalise acquisition multicanaux et traitement du signal numérique. Elle est construite autour d'un FPGA (Field Programmable Gate Array) qui rend son architecture de calcul polyvalente et évolutive. Elle est capable de mesurer, afficher, et enregistrer des données multicanaux. Le calcul embarqué est optimisé pour de faibles latences de calcul, compatibles avec des applications en boucle fermée. La thèse décrit ses algorithmes de traitement et son architecture.Des résultats expérimentaux utilisant le système et ses algorithmes sont ensuite montrés pour illustrer la réponse des îlots à des stimuli de glucose, médicaments et hormones. L'activité des îlots est quantifiée en analysant leurs APs (Action Potentials, Potentiels d'Action), et plus notoirement leurs SPs (Slow Potentials, Potentiels Lents), une nouvelle signature électrique exclusivement mesurée sur les îlots pancréatiques. Ces mesures, en régimes statique et dynamique, contribuent non seulement à caractériser la réponse du biocapteur, mais aussi à mettre en évidence les algorithmes internes des îlots de Langerhans.Enfin, des approches pour l'intégration du biocapteur dans un pancréas artificiel sont étudiées. Les réponses au glucose et aux hormones sont modélisées et simulées dans un modèle des interactions glucose-insuline dans le corps entier. Ce concept est novateur dans le sens où le capteur en charge de mesurer le besoin d'insuline n'est pas seulement sensible au glucose, mais aussi aux hormones présentes dans le sang. / Extracellular recording of electrical activity is a widespread technique in neurosciences, but only recently has it been applied to pancreatic islets and beta cells. The ease of use of Microelectrode Arrays (MEAs) has opened new perspectives for the electrophysiology of pancreatic cells, including screening methods for clinics and biosensor approaches for the artificial pancreas. This thesis is a contribution to the design and characterization of a hybrid biosensor composed of pancreatic cells cultured on an MEA and dedicated processing electronics. This device is the product of multi-disciplinary projects conducted at IMS (Bioelectronics group), partnered with CBMN (Cell biology and Biosensors team), both at the University of Bordeaux. Projects also involved the endocrinology service of university hospitals in Bordeaux, Montpellier, Grenoble, and Geneva.The covered projects include:- ISLET-CHIP (French ANR 2013-PRTS-0017), investigating a method of evaluating the quality of a preparation prior to its transplantation in type-I diabetic patients.- BIODIA (EU FEDER), characterizing islet electrical response to glucose, hormone, and drug stimuli for screening, cell differentiation, and closed-loop approaches.- DIAGLYC (French regional grant 2017 1R30 226), investigating the use of the hybrid biosensor as an artificial pancreas front-end sensor.The thesis tackles the biosensor in both its electronic and biological aspects, its integration in applicative experimental setups, and experimental results. It also addresses the modeling of a closed regulation loop for type-I diabetic patients.First, the electronic processing platform is described. It is a custom board performing multichannel acquisition and digital signal processing. It is built around an FPGA (Field Programmable Gate Array) that makes its processing architecture versatile and evolutive. It is capable of measuring, displaying and storing multichannel data. Computation was optimized for low-processing latencies compatible with closed-loop configurations. Both its processing algorithms and architecture are detailed.Then, experimental results using this system and its algorithms are shown to illustrate islet response to glucose, drug, and hormone stimuli. Islet activity is quantified by analyzing Action Potentials (APs), and more importantly Slow Potentials (SPs), a novel electrical signature exclusively measured on pancreatic islets. These measurements in both steady state and dynamic regime help characterize the biosensor response, but also shed light on the endogenous algorithms of islets of Langerhans.Finally, approaches for integrating the biosensor in an artificial pancreas are investigated. The measured glucose and hormone responses are modeled and simulated in a full-body glucose-insulin system. This concept is novel in that the sensor in charge of measuring insulin demand in the body is not only sensitive to glucose, but also to blood hormones.

La bioélectronique utilise des signaux électriques pour interagir avec des systèmes biologiques. Les capteurs qui permettent la lecture électrique de marqueurs de maladies importantes et les implants/stimulateurs utilisés pour la détection et le traitement d'activité cellulaire pathologique ne sont que quelques exemples de ce que cette technologie peut offrir. Du fait de leurs propriétés électro-actives et mécaniques fascinantes, l'électronique organique ou les matériaux conjugués π ont été largement exploités dans le domaine de la bioélectronique. Le mélange intéressant entre conductivité électronique et ionique de ces polymères conducteurs permet le couplage entre les charges électroniques présentent dans le volume des films organiques avec les flux ioniques du milieu biologique. Le matériau prototypique de la bioélectronique organique est le polymère conducteur poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) dopé avec du polystyrène sulfonate (PSS). Dans ce rapport, nous étudierons une approche pour moduler les propriétés mécaniques, électriques et électrochimiques du PEDOT: PSS et étudier leur impact sur la performance des transistors électrochimiques organiques. Par ailleurs, nous évaluerons l'effet de la micro-structuration et du nano-patterning sur l'impédance électrochimique des électrodes en or recouvertes de PEDOT: PSS utiles pour de futurs enregistrements et stimulations neurales. Enfin, nous démontrerons l'utilisation du PEDOT:PSS à micro-motifs pour l'adhésion et la migration de cellules. / Bioelectronics uses electrical signals to interact with biological systems. Sensors that allow for electrical read-out of important disease markers, and implants/stimulators used for the detection and treatment of pathological cellular activity are only a few examples of what this technology can offer. Due to their intriguing electroactive and mechanical properties, organic electronics or π-conjugated materials have been extensively explored regarding their use in bioelectronics applications. The attractive mixed electronic/ionic conductivity feature of conducting polymers enables coupling between the electronic charges in the bulk of the organic films with ion fluxes in biological medium. The prototypical material of organic bioelectronics is the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with polystyrene sulfonate (PSS). PEDOT:PSS is commercially available, water-dispersible conjugated polymer complex that can be cast into films of high hole and cation conductivity, good charge storage capacity, biocompatibility, and chemical stability. In the present work we investigate an approach to tailor the mechanical, electrical, and electrochemical properties of PEDOT:PSS and study their impact on the performance of organic electrochemical transistors. In addition, we study the effect of micro-structuring and nano-patterning on the electrochemical impedance of PEDOT:PSS- coated gold electrodes for future neural recordings and stimulation. Moreover we demonstrate the use of micro-patterned PEDOT:PSS in cell adhesion and migration.

De nos jours, efficacité et précision des diagnostics médicaux sont des éléments essentiels pour la prévention en termes de santé et permettre une prise en charge rapide des maladies des patients. Les récentes innovations technologiques, particulièrement dans les domaines de la microélectronique et des sciences des matériaux ont permis le développement de nouvelles plateformes personnalisées de diagnostics portatifs. Les matériaux électroniques organiques qui ont déjà par le passé démontré leur potentiel en étant intégrés dans des produits de grande consommation tels que les écrans de smartphones ou encore les cellules solaires montrent un fort potentiel pour une intégration dans des dispositifs biomédicaux. En effet, de par leurs natures et leurs propriétés physiques et chimiques, ils peuvent être à la fois en contact avec les milieux biologiques et constituer l’interface entre les éléments biologiques à l’étude, et les dispositifs électroniques. L’objectif de mes travaux de thèse et d’étudier et évaluer les performances des matériaux organiques électroniques intégrés dans des dispositifs biomédicaux en étudiant leurs interactions avec des milieux biologiques et par l’utilisation et l’optimisation de ces dispositifs permettre la détection de métabolites tel que le glucose ou lactate par exemple. Pendant ma thèse, j’ai notamment créé une plateforme de diagnostics combinant à la fois microfluidique et électronique organique permettant la multi détection de métabolites présents dans des fluides corporels humains, j’ai également conçu des capteurs intégrant des transistors organiques au sein des circuits électroniques classiques afin de détecter la présence des cellules tumorales. D’autres applications biologiques ont également été envisagées telles que la détection d’acides nucléiques par l’utilisation d’une approche simple de biofonctionnalisation. Bien que l’objectif ma thèse était de de créer des capteurs biomédicaux en utilisant une approche in vitro, il pourrait être également possible d’intégrer ces dispositifs « in vivo » ou encore dans des e-textiles. / Rapid and early diagnosis of disease plays a major role in preventative healthcare. Undoubtedly, technological evolutions, particularly in microelectronics and materials science, have made the hitherto utopian scenario of portable, point-of-care personalized diagnostics a reality. Organic electronic materials, having already demonstrated a significant technological maturity with the development of high tech products such as displays for smartphones or portable solar cells, have emerged as especially promising candidates for biomedical applications. Their soft and fuzzy nature allows for an almost seamless interface with the biological milieu rendering these materials ideally capable of bridging the gap between electronics and biology. The aim of this thesis is to explore and validate the capabilities of organic electronic materials and devices in real-world biological sensing applications focusing on metabolite sensing, by combining both the right materials and device engineering. We show proof-of-concept studies including microfluidic integrated organic electronic platforms for multiple metabolite detection in bodily fluids, as well as more complex organic transistor circuits for detection in tumor cell cultures. We finally show the versatility of organic electronic materials and devices by demonstrating other sensing strategies such as nucleic acid detection using a simple biofunctionalization approach. Although the focus is on in vitro metabolite monitoring, the findings generated throughout this work can be extended to a variety of other sensing strategies as well as to applications including on body (wearable) or even in vivo sensing.

Le diamant dopé bore (BDD) est un matériau extrêmement prometteur pour applications biomédicales par son unique combinaison de propriétés. Cette thèse a visé le développement de nouvelles structures de micro-électrodes en BDD et l'étude de leur intérêt et leurs performances pour des applications électroanalytiques et électrophysiologiques. En dépit de leurs propriétés électroanalytiques très supérieures à d'autres matériaux d'électrodes plus conventionnels, les électrodes BDD sont sujettes au «fouling», i.e. l'apparition d'un film à la surface du diamant qui réduit la réactivité électrochimique. Ceci est très compromettant dans des milieux complexes comme l'urine, les eaux stagnantes, des boissons, le plasma sanguin etc. Ici, un nouveau traitement d'activation a été développé pour nettoyer la surface des électrodes et recouvrir leur réactivité initiale, donc il permet leur usage pour de longues périodes d'enregistrement sans dégradation du signal. Ceci permet l'usage de ce type d'électrodes, pour des domaines d'applications, pour le suivi continu d'analytes, sans entretien spécifique, en solutions complexes. La grande originalité de ces techniques d'activation est qu'elle peut être menée directement dans l'analyte lui-même. En comparaison avec leurs équivalents en macro-électrodes, les microélectrodes permettent d'obtenir de plus grandes sensibilités, des courants résiduels moindre, des pertes ohmiques moindres, et donc des rapports signal à bruit meilleurs. Un procédé robuste et fiable a été optimisé pour la fabrication de réseaux de microélectrodes (MEA MicroElectrode Arrays) et d'ultra micro-électrodes, permettant par lithographie sur 4 pouces d'offrir une large flexibilité de fabrication. Par exemple, parmi d'autres prototypes, des microélectrodes BDD ont été utilisées pour applications de biocapteurs pour quantifier l'acide urique en temps quasi-réel. Bien que le diamant possède une très bonne biocompatibilité et des propriétés électrochimiques excellentes, la faible relative capacité de double couche limite leur application pour des applications électrophysiologiques. Des procédés de nanostructuration ont ainsi été mis au point pour accroitre les limites d'injection de charge. Parmi les approches, des procédés hybrides à base de polypyrrole se sont révélés prometteurs, de même que des procédés de gravure pour former de la «nano-herbe» diamant, très intéressantes pour la fabrication de MEAs en BDD. Ces matériaux à fort rapport d'aspect apparaissent comme d'excellents candidats pour applications d'interfaces neuronales et notamment pour la fabrication d'implants rétiniens.STAR / Boron doped diamond (BDD) electrodes are extremely promising in the field of biomedical applications as they exhibit a unique combination of properties. The thesis aims at developing new types of BDD microelectrodes and exploring their interests for electro-analytical and electrophysiological applications. Despite their superior electro-analytical properties, BDD electrodes are prone to fouling, which leads to a loss of electrode reactivity when used in biological fluids such as urine, waste waters, drinks, blood plasma, etc. A novel electrochemical treatment was developed to clean the electrode surface and to retrieve the initial reactivity, thereby enabling the use of BDD electrodes to long periods of measurements without degradation of the signal, thus significantly extending the field of monitoring and surveying applications up to domains where continuous analysis is required. The real novelty of the technique is that it does not require the use of a specific media and thus can be directly performed in the probed (bio-)fluid. Microelectrodes in comparison with macro-electrodes offer higher sensitivity, lower background current, lower ohmic losses and higher signal-to-noise ratio. A robust, high-yield, reliable, and reproducible process for fabricating a thin-film BDD micro and ultra-microelectrode arrays (MEA) was developed using a novel lithographic technique, based on clean room processing on 4 inch substrates, thus offering wide flexibility. For example, among other prototypes, BDD microelectrodes were developed as biosensors to quantify uric acid in human urine in quasi-real time. Although diamond film possesses good biocompatibility and excellent electrochemical properties, the low double-layer capacitance limits its application in electrophysiological applications. Increasing the charge injection limit was investigated by surface modification and nano-structuring. These include the synthesis of hybrid diamond-polypyrrole electrodes and nanograss BDD MEAs. Such high aspect ratio materials appear as excellent candidates for neurointerfacing applications such as for retinal implants.

De nombreux dispositifs pour l’électronique organique et la bioélectronique reposent sur le transport mixte (électronique et ionique).Le transport électronique dans les matériaux organique est relativement bien compris, mais une compréhension fondamentale du transport des ions est manquante. J'ai développé un modèle analytique qui décrit le transport d'ions dans une jonction planaire entre un électrolyte et un film de polymère conducteur.Le modèle permet des prédictions de l'évolution temporelle du courant et du drift length des ions.Ces prédictions sont validées par des simulations numériques et en utilisant des paramètres réalistes, je montre que le modèle analytique peut être utilisé pour obtenir la mobilité des ions dans le film. De plus, j'ai développé une méthode expérimentale qui permet l'application du modèle analytique et conduit à une estimation de la mobilité des ions dans les polymères conducteurs. Le PEDOT:PSS offre un transport efficace pour les ions, qui peut être mis en relation avec le gonflement important du film dans l'eau. Je montre que la réticulation du film diminue son gonflement ainsi que la mobilité des ions. Comprendre la forte corrélation entre l'hydratation et la conductivité ionique nous permet de développer des matériaux à mobilité ionique définie et importante. A titre d'exemple, le réglage de la mobilité ionique du PEDOT:TOS est présenté en ajustant le rapport relatif de la phase hygroscopique. Pour finir, j'ai effectué des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique au cours d'une expérience de moving front, afin de proposer une interprétation physique des spectres d'impédance mesurés à une jonction polymère conducteur/électrolyte / Many organic electronic and bioelectronics devices rely on mixed (electronic and ionic) transport within a single organic layer. Although electronic transport in these materials is relatively well understood, a fundamental understanding of ion transport is missing. I developed a simple analytical model that describes ion transport in a planar junction between an electrolyte and a conducting polymer film. The model leads to predictions of the temporal evolution of drift length of ions and current. These predictions are validated by numerical simulations and by using realistic parameters, I show that the analytical model can be used to obtain the ion mobility in the film. Furthermore, I developed an experimental method which allows the application of the analytical model and leads to a straightforward estimation of the ion drift mobilities in conducting polymers. PEDOT:PSS was found to support efficient transport of common ions, consistent with extensive swelling of the film in water. Crosslinking the film decreased its swelling and the ion mobility. Understanding the high correlation of hydration and ionic conductivity enables us to engineer materials with high and defined ion mobilities. As an example tuning of ion mobility by adjusting the relative ratio of the hydroscopic phase to PEDOT:TOS is presented. Finally I performed electrochemical impedance spectroscopy during a moving front experiment, in order to give a physical interpretation of the impedance spectra at a conducting polymer/electrolyte junction.

La bioélectronique est un domaine émergent qui vise à combiner les mondes de la biologie et de l'électronique. Les matériaux organiques présentent un ensemble de caractéristiques uniques qui les rendent candidats idéaux pour répondre aux contraintes spécifiques de ce domaine. Leur flexibilité leur donne une meilleure stabilité mécanique, tandis que leur nature de conducteurs ioniques et électroniques leur permet d’interférer parfaitement entre un tissu vivant et un dispositif électronique. En outre, ils présentent des interfaces non oxydées pour des interactions biologiques plus efficaces. Il est également possible de modifier chimiquement ces matériaux afin de les fonctionnaliser. Ces idées, ainsi que les différentes approches de fabrication des dispositifs organiques sont présentées au chapitre 1.L’électrode est le principal outil expérimental pour l’électrophysiologie in vitro. Les principes physiques du fonctionnement de l’électrode sont donc tout d’abord présentés au chapitre 2. Dans les chapitres 3 et 4, les connaissances acquises à partir de la modélisation de l’électrode sont mises en applications sur des mesures biologiques réelles. Le chapitre 3 présente des enregistrements d'activité de cellules hippocampiques de culture et le chapitre 4 de cellules pancréatiques.Le chapitre 5 introduit un autre dispositif, le transistor électrochimique organique (OECT) et présent une carte électronique de conversion qui pourrait faciliter l’usage d’OECT dans futures applications d’électrophysiologie. Le chapitre 6 clôture cette thèse en décrivant des mesures effectuées sur des astrocytes à l’aide d’OECT. / Bioelectronics is an emerging field that is aiming to combine the worlds of biology and electronics. Among all the other materials, organics present a unique set of features that renders them ideal candidates for this new field. Their soft nature gives better mechanical stability, while the fact that they can conduct both electrically and ionically makes them ideal candidates to bridge the gap between electronic devices and living tissue. In addition they provide oxide free interfaces that could interact more efficiently with biology and allow chemically modification that increase biological functionality. These ideas, together with the organic devices fabrication approaches are presented in Chapter 1.Electrodes are the main experimental tool for electrophysiology and this is why Chapter 2 presents the main physics principle behind them. Chapters 3 and 4 implement the knowledge obtained from the electrode modeling to real biological measurements. Chapter 3 presents activity recordings from Hippocampal cell cultures and Chapter 4 form pancreatic cells. Chapter 5 introduces us to a different device as it presents the Organic electrochemical transistor (OECT) and presents a read out circuit board that could facilitate OECT electrophysiological recordings. Chapter 6 closes this thesis with an application of OECT on astrocyte recordings.

De nos jours, le domaine biomédical est en pleine croissance avec le développement de dispositifs thérapeutiques innovants, bas coût, pour le diagnostic, le traitement ou la prévention de maladies chroniques ou cardiovasculaires. Ces dernières années ont connu l’émergence des polymères semi-conducteurs, alternative intéressante aux matériaux inorganiques, présentant des propriétés uniques de conduction ionique et électronique. Tout d’abord, j’ai axé mes travaux de recherche sur le développement et l’optimisation d’une encre conductrice à base de PEDOT:PSS, parfait candidat comme matériau, pour la transduction des signaux biologiques en signaux électriques, compatible avec le process jet d’encre, pour la réalisation de dispositifs imprimés. Puis mes travaux se sont orientés vers la conception et l’étude d’électrodes imprimées sur supports papiers, tatous et textiles permettant des enregistrements long termes d’électrocardiogrammes (ECG) ou électromyogrammes (EMG), présentant des performances similaires aux électrodes commerciales, utilisant un système d’acquisition spécifique pour la mesure d’activités électriques de tissus musculaires. Puis dans un second temps, je me suis penchée sur l’impression sur support papier, de transistors organiques électrochimiques (OECTs) fonctionnalisés, afin de permettre la détection d’éléments biologiques ou chimiques comme l’alcool. Ces travaux proposent une nouvelle voie pour la conception de dispositifs innovants biomédicaux à bas couts, imprimés, permettant la personnalisation des produits pouvant être intégrés dans des dispositifs biomédicaux portables ou dans des vêtements « intelligents ». / With the evolution of microelectronics industry and their direct implementation in the biomedical arena, innovative tools and technologies have come to the fore enabling more reliable and cost-effective treatment. In this thesis I focus on the integration of the conducting polymer PEDOT:PSS with printing technologies toward the realization of performant biomedical devices. In the first part, I focus on the optimization of the conducting ink formulation. Following, I emphasize on the fabrication of inkjet printed PEDOT:PSS based biopotential electrodes on a wide variety of substrates (i.e., paper, textiles, tattoo paper) for use in electrophysiological applications such as electrocardiography (ECG) and electromyography (EMG). Printed electrodes on paper and printed wearable electrodes were fabricated and investigated for long-term ECG recordings. Then, conformable printed tattoo electrodes were fabricated to detect the biceps activity during muscle contraction and the conventional wiring was replaced by a simple contact between the tattoo and a similarly ink-jet printed textile electrode.In the last part, I present the potentiality of inkjet printing method for the realization of organic electrochemical transistor (OECTs) as high performing biomedical devices. A disposable breathalyzer comprised of a printed OECT and modified with alcohol dehydrogenase was used for the direct alcohol detection in breath, enabling future integration with wearable devices for real-time health monitoring. Their compatibility with printing technologies allows the realization of low-cost and large area electronic devices, toward next-generation fully integrated smart biomedical devices.

Il existe un réel besoin de développer des matériaux et des technologies avancés pour améliorer l’interface avec le cerveau humain. De tels enregistrements électrophysiologiques sont nécessaires pour des fins diagnostiques ou dans des domaines innovants tels que l’interface homme/machine. Les dispositifs issus de l’électronique organique représentent des alternatives prometteuses grâce à leurs propriétés mécaniques et leur biocompatibilité. L’utilisation de polymères conducteurs ouvre la voie vers une nouvelle interface avec le milieu biologique. Ce travail présente un procédé de fabrication innovant permettant d’intégrer le polymère conducteur PEDOT:PSS sur des électrodes sèches pour une application à l’électroencéphalographie (EEG). L’étape suivante consiste en l’utilisation d’un dispositif actif tel que le transistor organique électrochimique (OECT) afin de profiter de l’amplification locale qu’il permet. Cette dernière est extrêmement importante dans le cas de la neurophysiologie, domaine dans lequel l’amplitude des signaux enregistrés est très basse. En ce sens, l’intégration d’OECTs à des dispositifs d’enregistrement de signaux neuronaux a montré un bien supérieur rapport signal / bruit (SNR) en comparaison à des électrodes conventionnelles. La bioélectronique est un domaine innovant à applications variées. Cette thèse présente la conception et la validation par l’application de dispositifs organiques dans le domaine des neurosciences. D’autres progrès dans les domaines du diagnostic, des biocapteurs, ou de la distribution de médicaments pavent la voie pour de nouvelles applications dans l’agroalimentaire ou encore la qualité de l’eau ou de l’air. / There is a tremendous need for developing advanced materials technologies for interfacing with brain and record neural activity. Such electrophysiological recordings are necessary for diagnostic purposes and brain/machine interfaces. Among the existing technologies, organic electronic devices constitute a promising candidate because of their mechanical flexibility and biocompatibility. The use of conducting polymers, which allow both ionic and electronic transport, allows new modes for interfacing with the biological milieu. This work presents an innovative process to incorporate the conducting polymer poly(3,4-Ethylenedioxythiophene: poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) onto electrodes for applications in electroencephalography (EEG). A step beyond conducting polymer electrodes is provided by the Organic Electrochemical Transistor (OECT). The primary advantage of using active devices is the local amplification they provide. This local amplification becomes extremely important in the case of electrophysiological signals, for which the amplitude is very low. The use of the OECT for various electrophysiological measurements is presented, done for clinical purposes like ECG or EEG, for new marketing studies like EOG, and for more fundamental neurological applications, like the recording in vitro of neuronal unitary activity. Bioelectronics is an inspiring field with broad scope. This thesis deals with applications of organic electronic devices in neuroscience. Other applications in diagnostics, biosensing, or drug delivery will offer huge opportunities for food safety, pollution control or even environmental applications.

Les dispositifs optoélectroniques organiques possèdent plusieurs avantages pour les applications dans le domaine du biomédical. Le photodétecteur organique (OPD) est un type de dispositif optoélectronique qui n’est pas encore utilisé pour la détection d’activité cérébrale. L’objectif de cette thèse a été d’explorer l’utilisation des OPD, constitués de différent matériaux donneur-accepteur d’électrons, dans le domaine des neurosciences. Nous avons présenté différent types d’OPD possédant une structure minimale, une excellente sensibilité et un grand potentiel d’intégration dans les méthodes de microfabrication existantes. Les détecteurs organiques ont été utilisés pour l’enregistrement de signaux optiques intrinsèques et de signaux fluorescents reflétant l’activité du calcium dans le cerveau. De plus, un autre aspect des OPD est présenté (en combinaison avec les transistors électrochimiques organiques (OECT)) : des systèmes électroniques biomimétiques basé sur une architecture électronique neuro-inspirée. Cette thèse démontre le potentiel des OPD pour enregistrer des activités cérébrales. Elle ouvre une nouvelle perspective, grâce à leur grande sensibilité, comme capteur optique en combinaison avec des dispositifs neuronaux implantables. Ceci élargira les frontières de l’électrophysiologie optique pour explorer les mécanismes complexes du cerveau et des maladies neurodégénératives. / Organic optoelectronic devices have many promising qualities for biomedical applications. Organic photodetectors (OPD), one type of such devices, have yet to be utilized for the detection of signals in the brain, to the best of our knowledge. The goal of this thesis was to explore the use of OPDs, based on different electron-donor and -acceptor materials in neuroscience applications. Different types of minimal-structure OPDs are presented, which have an excellent sensitivity and a high potential for incorporation into existing microfabrication methods. The organic sensors were utilized for monitoring the brain’s intrinsic optical signals and fluorescent calcium dynamics. Additionally, another aspect of these devices is presented (in combination with organic electrochemical transistors (OECT)): neuroinspired electronics, electronics that mimic biology. This thesis establishes the promise of OPDs for monitoring brain activities, which would lead to their integration, as high-sensitive micron-scale optical sensors in organic neural probes. Such device would result in exploring optical biological activities in the deep brain on the cellular level and would push the frontiers of optical-electrophysiology by giving a better understanding of complex mechanisms of the brain function and neurodegenerative diseases.