Academic literature on the topic 'Transistors électrochimiques organiques'

Le développement de nouveaux matériaux pour augmenter les performances des capteurs biologiques est très important lorsqu'on sait que les signaux électriques constituent la base des évènements biologiques fondamentaux comme l’activité cérébrale, le battement du coeur ou la sécrétion hormonale. Ces signaux cellulaires sont souvent enregistrés avec des sondes qui nécessitent des modifications génétiques ou chimiques. Cependant, des signaux intrinsèques pourraient être exploités directement. Des matrices de microélectrodes extracellulaires (MEAs) et des transistors électrochimiques à base de polymères (OECTs) sont par exemple sensibles aux flux ioniques. Ils sont, de plus, non-invasifs et donnent des informations importantes sur l’activité cellulaire. Cependant, ils ne peuvent différencier les espèces ioniques impliquées dans les signaux pour l’obtention d’une image précise de l’activité électrique. Ce travail de thèse a ainsi consisté dans : le développement de polymères bivalents ion-sensibles et conducteurs électroniques, la démonstration de leur biocompatibilité avec des cellules bêta-pancréatiques, la fabrication de transistors OECTs intégrant ces matériaux et la preuve de concept de son applicabilité comme plateforme non-invasive pour la détection de flux ioniques
The generation of novel materials to harness the power of biological sensors is extremely attractive because precisely configured electrical activities form the base of key biological events such as brain activity, heart beat or vital hormone secretion. Cellular signals are often recorded using probes that require genetic or chemical manipulation. Intrinsic signals offer the huge advantage to harness these properties without further transformations. Extracellular microelectrode arrays (MEAs) and polymer-based organic electrochemical transistor arrays (OECTs) rely on the movement of ions, are non-invasive and provide some information on cell activity. However, they cannot resolve fluxes of specific species as targeted ions to obtain a precise picture of cell/organ activity. In this context, this work has consisted on the development of multimodal ion-sensing polymers, demonstration of their biocompatibility to beta-cells, the engineer of original OECTs incorporating these materials and demonstration of their viability as non-invasive platform of electrical cell activity and specific ion fluxes

Les technologies neuromorphiques constituent une voie prometteuse pour le développement d'une informatique plus avancée et plus économe en énergie. Elles visent à reproduire les caractéristiques attrayantes du cerveau, telles qu'une grande efficacité de calcul et une faible consommation d'énergie au niveau des logiciels et du matériel. À l'heure actuelle, les implémentations logicielles inspirées du cerveau (telles que ANN et SNN) ont déjà démontré leur efficacité dans différents types de tâches (reconnaissance d'images et de la parole). Toutefois, pour tirer un meilleur parti des algorithmes inspirés du cerveau, il est possible de les combiner avec une implémentation materielle appropriée qui s'appuierait également sur une architecture et des processus inspirés du cerveau. L'ingénierie neuromorphique s'est principalement appuyée sur les technologies conventionnelles (CMOS circuits, memristor) pour le développement de circuits inspirés du cerveau. Néanmoins, ces implémentations sont fabriquées suivant une approche top-down. En revanche, l'informatique cérébrale repose sur des processus bottom-up tels que l'interconnectivité entre les cellules et la formation de voies de communication neuronales.À la lumière de ce qui précède, ce travail de thèse porte sur le développement de dispositifs neuromorphiques organiques programmables en 3D qui, contrairement à la plupart des technologies neuromorphiques actuelles, peuvent être créés de manière bottom-up. Cela permet de rapprocher les technologies neuromorphiques du niveau de programmation du cerveau, où les chemins neuronaux nécessaires sont établis uniquement en fonction des besoins.Tout d'abord, nous avons découvert que les interconnexions 3D à base de PEDOT:PSS peuvent être formées au moyen d'électropolymérisation bipolaire en courant alternatif, permettant d'imiter la croissance des cellules neuronales. En réglant individuellement les paramètres de la forme d'onde (tension d'amplitude de crête - VP, fréquence - f, duty cycle- dc et tension de décalage - Voff), une large gamme de structures semblables à des dendrites a été observée avec différents degrés de ramification, volumes, surfaces, asymétries et dynamiques de croissance.Ensuite, nous avons montré que les morphologies dendritiques obtenues à différentes fréquences sont conductrices. De plus, chaque structure présente une valeur de conductance qui peut être interprétée comme un poids synaptique. Plus important encore, la capacité des dendrites à fonctionner comme OECT a été révélée. Différentes morphologies de dendrites ont présenté des performances différentes en tant qu'OECT. De plus, la capacité des dendrites en PEDOT:PSS à modifier leur conductivité en réponse à la tension de grille a été utilisée pour imiter les fonctions de mémoire du cerveau (plasticité à court terme -STP et plasticité à long terme -LTP). Les réponses à la STP varient en fonction de la structure dendritique. En outre, l'émulation de la LTP a été démontrée non seulement au moyen d'un fil de grille Ag/AgCl, mais aussi au moyen d'une grille dendritique en polymère développée par électropolymérisation.Enfin, la plasticité structurelle a été démontrée par la croissance dendritique, où le poids de la connexion finale est régi par les règles d'apprentissage de type Hebbien (plasticité dépendante du moment de l'impulsion - STDP et plasticité dépendante du rythme de l'impulsion - SRDP). En utilisant les deux approches, une variété de topologies dendritiques avec des états de conductance programmables (c'est-à-dire le poids synaptique) et diverses dynamiques de croissance ont été observées. Finalement, en utilisant la même plasticité structurelle dendritique, des caractéristiques cérébrales plus complexes telles que l'apprentissage associatif et les tâches de classification ont été émulées.En outre, les perspectives futures de ces technologies basées sur des objets dendritiques polymères ont été discutées
Neuromorphic technologies is a promising direction for development of more advanced and energy-efficient computing. They aim to replicate attractive brain features such as high computational efficiency at low power consumption on a software and hardware level. At the moment, brain-inspired software implementations (such as ANN and SNN) have already shown their successful application for different types of tasks (image and speech recognition). However, to benefit more from the brain-like algorithms, one may combine them with appropriate hardware that would also rely on brain-like architecture and processes and thus complement them. Neuromorphic engineering has already shown the utilization of solid-state electronics (CMOS circuits, memristor) for the development of brain-inspired devices. Nevertheless, these implementations are fabricated through top-down methods. In contrast, brain computing relies on bottom-up processes such as interconnectivity between cells and the formation of neural communication pathways.In the light of mentioned above, this work reports on the development of programmable 3D organic neuromorphic devices, which, unlike most current neuromorphic technologies, can be created in a bottom-up manner. This allows bringing neuromorphic technologies closer to the level of brain programming, where necessary neural paths are established only on the need.First, we found out that PEDOT:PSS based 3D interconnections can be formed by means of AC-bipolar electropolymerization and that they are capable of mimicking the growth of neural cells. By tuning individually the parameters of the waveform (peak amplitude voltage -VP, frequency - f, duty cycle - dc and offset voltage - Voff), a wide range of dendrite-like structures was observed with various branching degrees, volumes, surface areas, asymmetry of formation, and even growth dynamics.Next, it was discovered that dendritic morphologies obtained at various frequencies are conductive. Moreover, each structure exhibits an individual conductance value that can be interpreted as synaptic weight. More importantly, the ability of dendrites to function as OECT was revealed. Different dendrites exhibited different performances as OECT. Further, the ability of PEDOT:PSS dendrites to change their conductivity in response to gate voltage was used to mimic brain memory functions (short-term plasticity -STP and long-term plasticity -LTP). STP responses varied depending on the dendritic structure. Moreover, emulation of LTP was demonstrated not only by means of an Ag/AgCl gate wire but as well by means of a self-developed polymer dendritic gate.Finally, structural plasticity was demonstrated through dendritic growth, where the weight of the final connection is governed according to Hebbian learning rules (spike-timing-dependent plasticity - STDP and spike-rate-dependent plasticity - SRDP). Using both approaches, a variety of dendritic topologies with programmable conductance states (i.e., synaptic weight) and various dynamics of growth have been observed. Eventually, using the same dendritic structural plasticity, more complex brain features such as associative learning and classification tasks were emulated.Additionally, future perspectives of such technologies based on self-propagating polymer dendritic objects were discussed

Le domaine de la bioélectronique a suscité beaucoup d’intérêt ces dernières décennies grâce à sa capacité à rapprocher les mondes de l’électronique et de la biologie. La découverte dans les années 70 des polymères conducteurs a permis de combler le fossé séparant les deux mondes. Parmi les dispositifs basés sur les polymères conducteurs, les transistors électrochimiques organiques (OECTs) ont été largement utilisés pour des applications biomédicales ou comme biocapteurs. L’amplification intrinsèque apportée par le système en fait une plateforme idéale pour mesurer des signaux soumis à de fortes perturbations. La conformabilité et la flexibilité sont des paramètres clés dans le développement de capteurs implantables ou portés sur la personne. Ainsi des capteurs imprimés flexibles basés sur la technologie OECT sont prometteurs pour ces types d’application. Parmi les métabolites présents dans les fluides biologiques, les lactates sont liés à la fatigue musculaire ou les infections. Détecter ce composant est donc intéressant pour de nombreuses applications. Dans ce travail de thèse, le développement de capteurs de lactate sérigraphiés basés sur la technologie des OECTs est étudié. Une attention particulière est portée sur la possibilité d’obtenir des capteurs tout solide pour des applications portées sur la personne. Sachant que la détection d’ion peut facilement être réalisée avec des OECTs, des travaux ont été menés pour développer des capteurs multi-cibles pour le pH, et les ions Na+ et NH4+. Ces études ouvrent le champ sur des applications de diagnostic rapide en utilisant des circuits complexes intégrant des OECTs
The field of bioelectronics has raised many interest in the past decades due to the fact that it couples the worlds of electronics to biology. The discovery of conducting polymers in the 1970’s allowed to bridge the gap between the two worlds.Among conducting polymer based devices, the organic electrochemical transistor (OECT) has been widely used for biosensing and biomedical applications. The intrinsic amplification provided by the device make it ideal platform to record signals that suffers from low signal to noise ratio. Conformability and flexibility are key parameters for implantable and wearable sensors. Thus flexible printed OECTs based biosensors are promising devices for those applications. Among metabolites present in biological fluids, lactate levels are linked with muscle fatigue or infection. Sensing this metabolite is consequently relevant for many applications. In this work, the development of a screen-printed, OECT based lactate sensor is discussed. An accent was given to obtain a wearable sensor, by designing solid state device. Moreover, since the OECT can be easily transposed to ionic detection, efforts were made towards the development of multianalyte platforms to sense pH, K+ and NH4+ ions. Those development open the way for more complex platforms based on circuits integrating OECTs. Those platforms could be used for rapid diagnostic applications with OECTs

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

Aujourd'hui, avec l'augmentation de la population, la consommation de médicaments et de produits phytosanitaires dans l'agriculture a considérablement augmenté. Cela devient inquiétant car une grande partie de ces molécules, rejetée dans l'environnement, ne sont pas bien éliminées par les stations d'épuration (lorsqu'elles existent). En trop grande quantité, ces produits deviennent des poisons pour tous les organismes vivants, y compris l’Homme.Des méthodes analytiques classiques pour la mesure de ces produits chimiques existent déjà (méthodes séparatives classiques telles que la chromatographie en phase gazeuse, la chromatographie liquide à haute performance, éventuellement couplée à la spectrométrie de masse, etc.). Cependant, même si elles sont extrêmement précises et fiables, ces techniques sont difficiles à appliquer pour la surveillance sur site et sont généralement coûteuses. Pour cette raison, ma thèse se concentre sur de nouvelles approches analytiques pour détecter de petites molécules en milieu aqueux, telles que ces polluants. Dans une première partie de mon travail, j’ai développé un immunocapteur basé sur une complexation compétitive originale et sur une transduction électrochimique (ampérométrique), pour la détection du diclofénac, un anti - inflammatoire non stéroïdien généralement utilisé pour réduire l’inflammation et soulager la douleur. L'électrode de travail a été fonctionnalisée par deux sels de diazonium, l'un utilisé comme sonde moléculaire (un dérivé du diclofénac couplé à une arylamine) et l'autre comme sonde redox (une quinone) également couplée à une arylamine, capable de transduire l'association haptène-anticorps par une variation de son électroactivité ; en particulier, la transduction a été conçue pour délivrer une augmentation de courant lors de la détection du diclofénac (soit une détection « signal-on »). J’ai montré une limite de détection d’environ 20 fM dans l'eau du robinet, ce qui rend ce type de capteur très compétitif. Dans la suite de mon travail, j'ai conservé la même approche de transduction originale (immunoreconnaissance compétitive) mais appliquée à un transistor à effet de champ organique à grille électrolytique (EGOFET) dont le semiconducteur est le poly (N-alkyldiketopyrrolo-pyrrole dithiénylthiéno [3,2-b ] thiophène) (DPP-DTT) et dont l'électrode de grille a été fonctionnalisée par électrogreffage d'un sel de diazonium fonctionnel capable de lier un anticorps spécifique de l'acide 2,4-dichlorophénoxyacétique (2,4-D), un herbicide courant. Le design de la sonde moléculaire a été rationalisée par modélisation moléculaire afin d’optimiser la capture de l’anticorps en surface de grille. Dans la dernière partie de mon travail, je propose une approche qui met à profit à la fois le couplage capacitif de l'EGOFET mais aussi sa sensibilité aux charges électrostatiques accumulées en surface de grille. J'ai immobilisé en surface de grille un peptide court (Gly-Gly-His) connu pur avoir une forte affinité envers les ions cuivre Cu2+. Le peptide a été immobilisé par électro-oxydation directe de l'amine primaire du premier fragment glycine. J’ai démontré que les dispositifs EGOFET, modifiés par GGH, peuvent transduire la complexation de Cu2+ par des variations significatives de leurs caractéristiques de sortie et de transfert, en particulier par un décalage de la tension de seuil (VTh)
Today, with the increase of population, the consumption of drugs and of chemicals in agriculture has dramatically increased. It becomes a worrisome issue because a large amount of these molecules, excreted to the environment, are not well eliminated by water-treatment plants (when they exist) and are therefore released without control into the ecosystem. In too large quantities, these drugs are poisons for living organisms, including humans. Classical analytical methods for the measurement of these chemicals already exist (classical separative methods such as gas chromatography, high-performance liquid chromatography, possibly coupled with mass spectrometry, etc). However, even if extremely precise and reliable, these techniques are difficult to apply for on-site monitoring and are usually costly. For this reason, my thesis focuses on novel analytical approaches to detect small organic molecules such as these pollutants. In a first part of my work, I developped an original immunosensor based on a competitive complexation and on an electrochemical (amperometric) transduction, for detection of diclofenac, which is a non – steroidal anti – inflammatory drug generally employed to protect patients from inflammation and relieve pain. The working electrode was electrografted with two functional diazonium salts, one as molecular probe (a diclofenac derivative coupled with an arylamine) and the other as redox probe (a quinone) also coupled with an arylamine, able to transduce the hapten-antibody association into a change in electroactivity. The transduction was designed to deliver a current increase upon detection of diclofenac (“signal-on” detection). The detection limit is ca. 20 fM in tap water, which is competitive compared to other label-free immunosensors. In the following part of my thesis, I kept the same original transduction approach (competitive immunoassay) but applied to an Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistor (EGOFET) based on poly(N-alkyldiketopyrrolo-pyrrole dithienylthieno[3,2-b]thiophene) as organic semiconductor whose gate electrode was functionalized by electrografting a functional diazonium salt capable to bind an antibody specific to 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), an herbicide well-known to be a soil and water pollutant. Molecular docking computations were performed to design the functional diazonium salt to rationalize the antibody capture on the gate surface. In the last part of my work, I propose an approach which takes profit not only of the capacitive coupling of the EGOFET but also on its sensitivity to electrostatic charges accumulated on the gate surface. To illustrate this in the field of sensors, I used a short peptide (Gly-Gly-His), known to selectively bind copper ions Cu2+. The peptide was immobilized by direct electrooxidation of the primary amine of the first glycine moiety. I demonstrated that GGH-modified EGOFETs can transduce Cu2+ complexation through significant changes of their output and transfer characteristics, in particular their threshold voltage (VTh)

La règlementation européenne des 3Rs (Remplacer, Réduire, Raffiner) impose de diminuer le nombre d’animaux utilisé à des fins de recherches scientifiques. Elle répond à des exigences éthiques en soutenant le développement de méthodes alternatives. Dans cet objectif, les modèles cellulaires in vitro connaissent un essor important notamment grâce à la possibilité d’utiliser des cellules humaines pour reproduire des tissus ou des organes en laboratoire. Les récents progrès en micro-fabrication et techniques d’ingénierie tissulaire ont permis de se rapprocher des conditions physiologiques des tissus reproduits en évoluant notamment vers des configurations en 3-Dimension. L’intégration de techniques de caractérisation pour rendre observable les phénomènes biologiques à l’échelle cellulaire ou tissulaire est inhérente au développement des modèles in vitro notamment pour leur utilisation en toxicologie. Au cours de cette thèse, j’exploite les possibilités qu’offre le polymère conducteur PEDOT:PSS intégré dans des dispositifs électriques pour la caractérisation de barrières tissulaires. Ainsi, les transistors organiques électrochimiques (OECTs) ont été adaptés pour le développement de plateformes de caractérisation de sphéroïdes, de modèles tissulaires à l’interface air-liquide ou encore de réseaux vasculaires. Le lyophilisation du PEDOT :PSS a également permis la création d’un échafaudage 3D offrant de nouvelles perspectives pour le mélange de polymères électriquement actifs avec la matrice extracellulaire des tissus
In vitro cell models are widely accepted platforms for toxicological studies. However starting from the 2D models, improvements are needed to reproduce the physiological environment of the tissue. Advances in tissue engineering have given rise to 3D barrier tissue models that recreate cell-cell and cell-matrix interactions. However, electrical platforms to quantify barrier tissue permeability hasn’t followed the rapid pace of models complexification. In this work I explore the possibilities to design conductive polymer-based devices adapted for the characterization of barrier tissue models. Conventional electrical tools used to evaluate integrity of barrier tissues are made of metal electrodes placed on each side of the tissue. This technology presents limitations when it comes to analyzing customized 3D tissue models due to issues in electrode size and stiffness. As an alternative option to metal electrodes, organic electronic materials have shown great promise to interface with biological tissues. In particular the Organic ElectroChemical Transistor (OECT) using PEDOT:PSS has already shown great efficiency to quantify electrical properties of barrier tissues in 2D. Thanks to microfabrication techniques they can be miniaturized and tuned to form mechanically compliant interface with a range of biological tissues. In this thesis, OECT compatibility with models such as tracheal cell culture at the air-liquid interface, spheroid models and microvessel-on-a-chip system has been tested. The achievements described in this work present significant progress in the field of in vitro platforms of barrier tissue modeling for toxicology and drug discovery testing