Graphene bioelectronics for long-term neuronal interfacing in-vivo

Bio-electronique graphène pour un interfaçage neuronal in-vivo durable

Antoine Bourrier (1, 2)

1 NEEL - Institut Néel
2 EPFL - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Graphene, an atomically thin layer of carbon, is investigated as a biosensing and coating material in order to address the long term durability issues of invasive intracortical implants. These devices are essential tools to record specific single motor neurons activity for medical applications aiming at healing neural injuries. Today’s implants suffer from their high invasiveness. It is responsible for local inflammation that leads to the failure in unique neurons activity recordings in the motor cortex on a long term basis. By combining a monolayer graphene growth and transfer with an ultra-sensitive electronic integration and a biochemical functionalization, this thesis proposes a new multidisciplinary approach to build intracortical implants with an improved bioacceptance. By using innovative methods of graphene integration in implants, and in-vitro and in-vivo studies to assess the reactions of living tissues to graphene, we provide an overview of graphene’s potential contribution to future brain machine interfaces for long term medical projects.

Le graphène, une couche monoatomique de carbone, est étudié comme matériau pour construire ou encapsuler des biocapteurs afin d’adresser les problèmes de durabilité rencontrés avec les implants intra-corticaux. Ces derniers sont des outils essentiels pour les projets médicaux de neuro-réhabilitation afin d’enregistrer les signaux de motoneurones uniques dans le cerveau. Les implants actuels sont invasifs et leur efficacité est limitée dans le temps par la réaction de rejet des tissus. En combinant une synthèse de graphène optimisée à cet usage (monocouche continue sur plusieurs cm²) et son intégration dans des capteurs électroniques ultra-sensibles, protégés par des polymères bioactifs, cette thèse propose une nouvelle approche pluridisciplinaire pour construire des implants offrant une meilleure bioacceptance. Au moyen de méthodes d’intégration innovantes et d’études du comportement du graphène in-vivo et in-vitro, nous évaluons expérimentalement la faisabilité d’intégration du graphène dans les futures interfaces cerveau machines pour des projets médicaux au long terme.

Mots clés: Biomedical engineering; Micro & Nanotechnologies; Microelectronics devices; Neurosciences; Neural Engineering; Brain Computer Interface BCI; Graphene

Mots clés: Microelectronique; Neuro ingenierie; Ingenierie Biomedicale

Domaines: Physique Médicale [physics.med-ph]; Biotechnologies; Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Neurobiologie

Antoine Bourrier. Graphene bioelectronics for long-term neuronal interfacing in-vivo. Medical Physics [physics.med-ph]. Univ. Grenoble Alpes, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01597689v1⟩