Description du sujet de thèse

Ce projet de thèse s'inscrit dans un projet à fort caractère interdisciplinaire, visant à adapter des technologies laser de pointe pour des applications dans le domaine de l'électronique du vivant et de la santé. La complexité de certains organes constitue, pour les biologistes, un obstacle majeur pour décrypter leur fonctionnement et mieux comprendre certaines pathologies. Dans ce cadre, l'utilisation de modèles biologiques in vitro simplifiés est donc une voie d'étude prometteuse pour tenter d'améliorer notre compréhension. Dans le cas des cellules électriquement actives (réseaux neuronaux, cardiomyocytes, cellules musculaires...), ces études nécessitent des outils d'enregistrement à haute résolution pour étudier et comprendre leur fonctionnement et l'utilisation de dispositifs d'enregistrement multi-sites tels que les réseaux de microélectrodes (MEAs) sont des outils précieux.
Au cours des dernières décennies, la technologie des MEAs n'a cessé d'être améliorée. Plusieurs approches ont été développées allant de la modification de la surface de l'électrode (nanotubes de carbone, Ti3N4, PEDOT), au développement d'électrodes tridimensionnelles (nanofils, « mushrooms ») permettant de limiter l'impédance d'interface et ainsi améliorer le rapport signal/bruit du capteur.
Dans ce contexte, l'émergence des techniques d'impression 3D et notamment leur utilisation récente pour la fabrication de capteurs chimiques et biologiques semble être un atout majeur pour poursuivre le développement de la technologie MEA et apporter de nouvelles solutions versatiles et faible coût.
Parmi ces technologies, l'impression par jet d'encre a été largement utilisée et a montré de bons résultats mais souffre de plusieurs limitations en termes de résolution spatiale, de reproductibilité des dépôts, de colmatage des buses et d'impossibilité d'utiliser des bio-encres à haute viscosité.
L'objectif de ce travail de thèse sera de tirer profit de la technique de dépôt assisté par laser (LIFT) pour la fabrication de réseaux multi-électrodes (MEA) à faible coût et à très haute sensibilité.
Ce procédé d'impression assistée par laser, développé dans notre laboratoire depuis plus d'une décennie, est une technique innovante sans contact et sans buse permettant d'atteindre une résolution inférieure au micromètre. Une large gamme de viscosité peut être utilisée permettant d'imprimer un large panel de matériaux allant des métaux aux polymères pour la création de dispositifs électroniques et même des cellules vivantes.
Sur la base de cette technique, nous proposons le développement d'un procédé de fabrication all-laser pour créer des MEAs avec une grande versatilité de design pour les sondes, une très faible consommation de temps et un faible coût. Ce procédé de fabrication sera basé sur quatre étapes principales : (i) l'impression par LIFT des électrodes d'enregistrement et des lignes conductrices, (ii) l'impression par LIFT de la couche de passivation et (iii) le collage sur un circuit imprimé par laser metal bonding (LMB).
Dans un premier temps, le procédé d'impression laser devra être optimisé pour permettre l'impression à très haute résolution des différents matériaux composants la puce, puis une première preuve de concept sera réalisée en fabriquant une puce MEA conventionnelle par impression laser qui sera testée sur des cultures de cellules in vitro. La seconde étape de ce travail de thèse consistera à complexifier le design des électrodes pour améliorer leur résolution d'enregistrement (configurations 3D, fonctionnalisation de surface…) pour tenter d'interfacer des modèles biologiques plus complexes (Jonctions neuromusculaires, organoïdes…).

Contexte de travail

Le laboratoire Laser Plasma et Procédés Photoniques (LP3-UMR 7341) (www.lp3.fr) est une unité mixte de recherche du CNRS et d'Aix Marseille Université (AMU) dirigée par Dr Olivier UTEZA. Il détient un grand nombre de sources laser et équipements associés. Il est laboratoire d'accueil dans le programme Européen Laserlab (www.laserlab-europe.eu). Son domaine d'expertise est la physique de l'interaction laser/matière en régimes court et ultra-court (de ns à fs) et le développement de nouveaux procédés laser. Le LP3 a une grande expertise sur la structuration de surfaces par laser pour un grand domaine d'applications. C'est également l'un des leaders mondiaux sur l'impression induite par laser et plus précisément la technique du LIFT qui sera utilisé durant ce travail de doctorat. Le doctorant sera amené à travailler avec plusieurs chercheurs et enseignants-chercheurs du laboratoire : David GROJO et Adrien Casanova qui seront respectivement Directeur et Co-directeur de la thèse mais également Anne-Patricia Alloncle pour les aspects LIFT et Ahmed Al-Kattan sur les aspects de fonctionnalisation.

Contraintes et risques

Le doctorant sera amené à manipuler des encres à base de Nanoparticules ainsi que du matériel biologique de groupe 1 non pathogène chez l'homme.
Lors des manipulations les règles de sécurité seront appliquées (port de gants et de lunettes de protection, élimination des déchets dans des poubelles spécifiques....)