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HAL Id: tel-01668466 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01668466 Submitted on 20 Dec 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Inkjet printed organic electronic devices for biomedical diagnosis Eloïse Bihar To cite this version: Eloïse Bihar. Inkjet printed organic electronic devices for biomedical diagnosis. Other. Université de Lyon, 2016. English. NNT : 2016LYSEM036. tel-01668466 i N°d’ordre NNT : 2016LYSEM036 THESE de DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE LYON opérée au sein de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne Ecole Doctorale N° 488 Sciences, Ingénierie, Santé Spécialité de doctorat : Microélectronique Discipline : Bioélectronique Soutenue publiquement le 19/12/2016, par : Eloïse Bihar Réalisation de dispositifs biomédicaux par impression jet d’encre Devant le jury composé de : Daniel, Susan Professeure associée Cornell University Présidente De Mello John Professeur Imperial College London Rapporteur Kaltenbrunner, Martin Professeur associé Johannes Kepler University Rapporteur Rivnay, Jonathan Maitre de conférence Northwestern university Examinateur Reverdy Bruas, Nadège Maitre de conférence Grenoble INP Pagora Examinatrice Malliaras, George Professeur Ecole des Mines de Saint-Etienne Directeur de thèse Saadaoui, Mohamed Chargé de recherche Ecole des Mines de Saint-Etienne Co-directeur de thèse Hervé, Thierry CEO Microvitae technologies Invité Spécialités doctorales Responsables : Spécialités doctorales Responsables SCIENCES ET GENIE DES MATERIAUX K. Wolski Directeur de recherche MATHEMATIQUES APPLIQUEES O. Roustant, Maître-assistant MECANIQUE ET INGENIERIE S. Drapier, professeur INFORMATIQUE O. Boissier, Professeur GENIE DES PROCEDES F. Gruy, Maître de recherche IMAGE, VISION, SIGNAL JC. Pinoli, Professeur SCIENCES DE LA TERRE B. Guy, Directeur de recherche GENIE INDUSTRIEL A. Dolgui, Professeur SCIENCES ET GENIE DE L’ENVIRONNEMENT D. Graillot, Directeur de recherche MICROELECTRONIQUE S. Dauzere Peres, Professeur EMSE : Enseignants-chercheurs et chercheurs autorisés à diriger des thèses de doctorat (titulaires d’un doctorat d’État ou d’une HDR) ABSI Nabil CR Génie industriel CMP AVRIL Stéphane PR2 Mécanique et ingénierie CIS BALBO Flavien PR2 Informatique FAYOL BASSEREAU Jean-François PR Sciences et génie des matériaux SMS BATTAIA-GUSCHINSKAYA Olga CR Génie industriel FAYOL BATTON-HUBERT Mireille PR2 Sciences et génie de l'environnement FAYOL BERGER DOUCE Sandrine PR2 Sciences de gestion FAYOL BIGOT Jean Pierre MR(DR2) Génie des Procédés SPIN BILAL Essaid DR Sciences de la Terre SPIN BLAYAC Sylvain MA(MDC) Microélectronique CMP BOISSIER Olivier PR1 Informatique FAYOL BONNEFOY Olivier MA(MDC) Génie des Procédés SPIN BORBELY Andras MR(DR2) Sciences et génie des matériaux SMS BOUCHER Xavier PR2 Génie Industriel FAYOL BRODHAG Christian DR Sciences et génie de l'environnement FAYOL BRUCHON Julien MA(MDC) Mécanique et ingénierie SMS BURLAT Patrick PR1 Génie Industriel FAYOL COURNIL Michel PR0 Génie des Procédés DIR DAUZERE-PERES Stéphane PR1 Génie Industriel CMP DEBAYLE Johan CR Image Vision Signal CIS DELAFOSSE David PR0 Sciences et génie des matériaux SMS DELORME Xavier MA(MDC) Génie industriel FAYOL DESRAYAUD Christophe PR1 Mécanique et ingénierie SMS DOLGUI Alexandre PR0 Génie Industriel FAYOL DRAPIER Sylvain PR1 Mécanique et ingénierie SMS FAVERGEON Loïc CR Génie des Procédés SPIN FEILLET Dominique PR1 Génie Industriel CMP FRACZKIEWICZ Anna DR Sciences et génie des matériaux SMS GARCIA Daniel MR(DR2) Génie des Procédés SPIN GAVET Yann MA(MDC) Image Vision Signal CIS GERINGER Jean MA(MDC) Sciences et génie des matériaux CIS GOEURIOT Dominique DR Sciences et génie des matériaux SMS GONDRAN Natacha MA(MDC) Sciences et génie de l'environnement FAYOL GRAILLOT Didier DR Sciences et génie de l'environnement SPIN GROSSEAU Philippe DR Génie des Procédés SPIN GRUY Frédéric PR1 Génie des Procédés SPIN GUY Bernard DR Sciences de la Terre SPIN HAN Woo-Suck MR Mécanique et ingénierie SMS HERRI Jean Michel PR1 Génie des Procédés SPIN KERMOUCHE Guillaume PR2 Mécanique et Ingénierie SMS KLOCKER Helmut DR Sciences et génie des matériaux SMS LAFOREST Valérie MR(DR2) Sciences et génie de l'environnement FAYOL LERICHE Rodolphe CR Mécanique et ingénierie FAYOL LI Jean-Michel Microélectronique CMP MALLIARAS Georges PR1 Microélectronique CMP MAURINE Philippe Ingénieur de recherche Microélectronique CMP MOLIMARD Jérôme PR2 Mécanique et ingénierie CIS MONTHEILLET Frank DR Sciences et génie des matériaux SMS MOUTTE Jacques CR Génie des Procédés SPIN NEUBERT Gilles PR Génie industriel FAYOL NIKOLOVSKI Jean-Pierre Ingénieur de recherche CMP NORTIER Patrice PR1 SPIN OWENS Rosin MA(MDC) Microélectronique CMP PICARD Gauthier MA(MDC) Informatique FAYOL PIJOLAT Christophe PR0 Génie des Procédés SPIN PIJOLAT Michèle PR1 Génie des Procédés SPIN PINOLI Jean Charles PR0 Image Vision Signal CIS POURCHEZ Jérémy MR Génie des Procédés CIS ROBISSON Bruno Ingénieur de recherche Microélectronique CMP ROUSSY Agnès MA(MDC) Génie industriel CMP ROUSTANT Olivier MA(MDC) Mathématiques appliquées FAYOL ROUX Christian PR Image Vision Signal CIS STOLARZ Jacques CR Sciences et génie des matériaux SMS TRIA Assia Ingénieur de recherche Microélectronique CMP VALDIVIESO François PR2 Sciences et génie des matériaux SMS VIRICELLE Jean Paul DR Génie des Procédés SPIN WOLSKI Krzystof DR Sciences et génie des matériaux SMS XIE Xiaolan PR1 Génie industriel CIS YUGMA Gallian CR Génie industriel CMP ENISE : Enseignants-chercheurs et chercheurs autorisés à diriger des thèses de doctorat (titulaires d’un doctorat d’État ou d’une HDR) BERGHEAU Jean-Michel PU Mécanique et Ingénierie ENISE BERTRAND Philippe MCF Génie des procédés ENISE DUBUJET Philippe PU Mécanique et Ingénierie ENISE FEULVARCH Eric MCF Mécanique et Ingénierie ENISE FORTUNIER Roland PR Sciences et Génie des matériaux ENISE GUSSAROV Andrey Enseignant contractuel Génie des procédés ENISE HAMDI Hédi MCF Mécanique et Ingénierie ENISE LYONNET Patrick PU Mécanique et Ingénierie ENISE RECH Joël PU Mécanique et Ingénierie ENISE SMUROV Igor PU Mécanique et Ingénierie ENISE TOSCANO Rosario PU Mécanique et Ingénierie ENISE ZAHOUANI Hassan PU Mécanique et Ingénierie ENISE Table of contents iii Table of contents Résumé ...................................................................................................... vii Abstract .................................................................................................... viii Acknowledgements ............................................................................... x List of figures ........................................................................................... xii Abbreviations list ................................................................................. xiv Introduction .................................................................. 17 1.1 Introduction to printing technologies: a case study on conducting polymer ............................................................................................ 18 1.1.1 Contact printing technologies ........................................................... 18 1.2.1 Non-contact printing technologies .................................................... 22 1.2 Inks ........................................................................................... 29 1.2.1 Metallic inks ...................................................................................... 29 1.2.2 Dielectric inks.................................................................................... 30 1.2.3 Conducting polymer inks .................................................................. 31 1.2.4 Comparison of printing techniques ................................................... 33 1.3 PEDOT:PSS: Motivation towards enhancing the electrical properties : ....................................................................................... 35 1.3.1 Solution processing of PEDOT:PSS .................................................... 35 1.3.2 Thermal treatment ........................................................................... 37 1.3.3 Post treatment of the PEDOT:PSS film .............................................. 37 Table of contents iv 1.3.4 PEDOT:PSS and inkjet ........................................................................ 38 1.4 References ................................................................................ 40 Introduction to biomedical electrodes for electrophysiological recordings ..................................... 47 2.1 Electrophysiology ..................................................................... 47 2.1.1 Electrocardiogram ............................................................................ 48 2.1.2 Electromyogram ............................................................................... 49 2.2 Biopotential electrodes ............................................................ 50 2.2.1 Categories of electrodes ................................................................... 52 2.3 References ................................................................................ 56 Printed PEDOT:PSS electrodes on paper ........................ 58 3.1 Introduction .............................................................................. 59 3.2 Results and discussion .............................................................. 60 3.3 Conclusions ............................................................................... 66 3.4 Experimental Section ................................................................ 66 3.5 References ................................................................................ 68 Printed textile electrodes .............................................. 69 4.1 Introduction .............................................................................. 70 4.2 Results and discussion .............................................................. 71 4.3 Conclusions ............................................................................... 78 4.4 Experimental section ................................................................ 78 4.6 References ................................................................................ 81 Table of contents v Printed PEDOT:PSS electrodes on tattoo ....................... 82 5.1 Introduction .............................................................................. 83 5.2 Results ...................................................................................... 84 5.3 Discussion and Conclusions ...................................................... 91 5.4 Materials and methods ............................................................. 91 5.5 References and Notes ............................................................... 94 Introduction to OECTs for biosensing ............................ 96 6.1 Bioelectronics and biosensing .................................................. 96 6.2 Organic transistor ..................................................................... 97 6.3 Organic electrochemical transistor (OECT) .............................. 97 6.4 Applications of the OECT .......................................................... 99 6.5 First printed OECTs characterizations ..................................... 101 6.6 References .............................................................................. 106 A case on study : alcohol sensor .................................. 108 7.1 Introduction ............................................................................ 109 7.2 Results .................................................................................... 111 7.3 Discussion and Conclusions .................................................... 116 7.4 Materials and Methods .......................................................... 116 7.5 References .............................................................................. 119 Conclusion.............................................................................................. 121 Table of contents vi Appendix A ............................................................................................ 123 Appendix B ............................................................................................. 125 Résumé/ Abstract Résumé De nos jours, le domaine biomédical est en pleine croissance avec le développement de nouveaux dispositifs thérapeutiques, pour le diagnostic, le traitement ou la prévention de maladies chroniques ou cardiovasculaires telles que diabète, ou infarctus. Ces dernières années ont connu l’émergence des polymères semi-conducteurs. Ceux-ci présentent à la fois des propriétés ioniques et électroniques utiles pour les applications éléctrophysiologiques et semblent être une alternative intéressante aux matériaux inorganiques utilisés dans le secteur du biomédical. Poursuivant l’objectif de créer des dispositifs imprimés, j’ai démarré mes travaux de thèse en sélectionnant le PEDOT:PSS composé de deux polymère : le poly(3,4- éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS). ce polymère étant un parfait candidat comme matériau pour la transduction des signaux biologiques en signaux électriques pour les applications biomédicales visées. 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 uploads/Science et Technologie/ inkjet-printed-organic-electronic-devices-for-biomedical-diagnosis.pdf