Conception et fabrication de dispositifs neuro-électroniques souples implantables et autonomes en énergie

Abstract

Avec le vieillissement de la population, le nombre de personnes atteintes de maladies neurodégénératives telles que la rétinite pigmentaire (RP) et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) augmentent. La RP se caractérise par une vision périphérique réduite, tandis que la DMLA entraîne une perte de vision au centre du champ visuel, dues à la dégénérescence des photorécepteurs de la rétine. Actuellement, il n’existe aucun traitement pour guérir la DMLA "sèche" et la RP. Des solutions utilisant des implants rétiniens sont donc en cours de développement pour restaurer partiellement les capacités visuelles des patients. Dans cette optique, l'Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) collabore avec Axorus, startup fondée en 2019, pour concevoir un implant rétinien autonome. Pour fabriquer des implants rétiniens, Axorus utilise deux composants brevetés et développés par l'IEMN dans le cadre du projet SPINE, à savoir un capteur optique qui intègre un neurone artificiel. Ce dernier est capable de reproduire fidèlement la signature électrique d'un neurone biologique. Le travail mené se découpe en deux grands axes. Le premier axe de recherche de cette thèse a consisté à rendre conformable une puce électronique (prototype d’implant rétinien) développée par Axorus, afin qu’elle suive la forme de l’œil et que son épaisseur ne déforme pas une rétine de rat. Ainsi, le premier chapitre de ce manuscrit vise ainsi à établir le contexte, les objectifs et les enjeux de la thèse. Ce chapitre détaille plus particulièrement le fonctionnement et l’intérêt du capteur optique associé au neurone artificiel. Cela est accompagné d’une étude sur les différentes prothèses rétiniennes existantes et les objectifs définis pour notre implant rétinien. Le second chapitre s’intéresse au procédé d'amincissement du substrat silicium utilisant la technologie de gravure ionique réactive profonde (DRIE), développée pour atteindre une épaisseur de 30µm de ce dernier, lui conférant des propriétés de conformabilité suffisantes pour épouser la forme de l’œil, tout en conservant les propriétés électroniques des puces amincies. Dans l’objectif de fabriquer à terme des implants matriciels larges, des travaux ont été conduits pour ajouter un substrat flexible en face arrière de la puce électronique amincie. Ce film sert à la manipulation et aussi de couche de protection puisque le silicium n’est pas un matériau considéré comme « biocompatible ». Une étude sur la résine sèche Ordyl SY300 a été réalisée à cet effet. Le second axe de la thèse a porté sur le développement d’une source d’énergie capable d’alimenter un pixel élémentaire (composé d’un neurone artificiel et d’une électrode de stimulation), visant des applications sans accès à la lumière directe. Dans ce contexte, le troisième chapitre a pour objectif d’identifier une ou plusieurs sources d’énergie alternatives à la source photovoltaïque. La puissance nécessaire pour alimenter un pixel est de 2nW/pixel. La taille de la source d’énergie ne doit pas excéder 1cm 3, et doit fournir suffisamment d'énergie pendant au moins 10 ans. A l’issue de l’étude de la littérature, le choix de la source d’énergie s’est porté sur les sources d’énergie radiofréquences. Le quatrième chapitre détaille le système d’alimentation établi utilisant une antenne émettrice extérieur au corps et une antenne réceptrice implantée. A partir d’une étude de la littérature sur les antennes, des travaux ont été entrepris afin de réaliser à façon une antenne méandrée dite triaxiale, fonctionnant à 2,45GHz et encapsulée dans du polymère appelé PEEK. Le cinquième chapitre présente la conception, la simulation, la fabrication et la caractérisation expérimentale du prototype de notre antenne radiofréquence. Le sixième chapitre comporte une étude afin d’estimer le nombre de pixels implantés « alimentables », selon deux approches différentes (analytique et numérique) définissant de potentielles futures applications.