Towards a magnetoresistive platform for neural signal recording

The evolution in the fabrication of thin films allowed the development of nanostructured systems and, with the discovery of giant magnetoresistance in 1988, magnetoresistive phenomena started to become the core of a variety of spintronic devices. Among them, magnetoresistive sensors are particularly suited for biosensing applications due to their high sensitivity and ease of integration in compact platforms. This thesis work fits in the framework of UMANA project, whose goal is the application of magnetoresistive sensors to the detection of the signal arising from the action potential generated by in-vitro neuronal cultures. The detection scheme relies on the measurement of the magnetic field generated by the ionic currents associated to the propagation of action potentials. With respect to conventional methods, their high sensibility, spatial resolution and low invasiveness make them a promising device for such investigations. The first part of the thesis is devoted to the study of different sensors, in order to determine the one with the best performances, suitable for further optimization, to be employed for the UMANA project. In this part, noise measurements are described. In addition, the detection of the magnetic field generated by current lines grown above the sensors to simulate the neuronal currents is presented. In the second part, the biological issues related to this experiment are discussed. Then, the realization of a platform for the recording of neuronal signals arising from rat hippocampal slices is reported and the results from the in-vitro experiments are reviewed. To summarize, the following topics have been addressed during this thesis work: - Microfabrication of MTJ (Magnetic Tunneling Junction)-based sensors through magnetron sputtering deposition and optical lithographic patterning. - Sensors characterization through magnetoresistance measurements. - Noise measurement on magnetoresistive sensors using a cross-correlation spectrum analyzer. - Detection of the propagation of a current across current lines fabricated through optical lithography on top of the sensors, in order to simulate the biological currents. - Validation of a dedicated electronic platform for low-noise measurements of magnetic field with MR sensor. - In-vitro experiments on rat hippocampal slices. The experimental work was carried out with the NaBiS group at the PoliFab Center of Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano under the supervision of Doctor Daniela Petti and Professor Riccardo Bertacco, responsible for the group. The integrated electronics employed for the signal detection has been developed by the I3N group of the Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria of the Politecnico di Milano which led also the noise measurements. The biological aspects of the work were dealt with by IIT’s Center for Synaptic Neuroscience and Technology of Genova, which took care of the preparation of rat hippocampal slices. This thesis is organized in 5 chapters. The first chapter gives an overview on magnetoresistive sensors and their biological applications. The second chapter reviews the physical principles behind the sensors employed. The third chapter explains the experimental methods employed during this thesis work. In the fourth chapter, four different sensors are analyzed and compared in term of noise performances and minimum detectable field. In the last chapter, the results of the in-vitro experiments are reported, along with the fabrication procedure of the employed MTJ sensors.

Lo sviluppo di sistemi di fabbricazione di film sottili ha permesso la diffusione e l’utilizzo estensivo di materiali nanostrutturati. Con la scoperta della magnetoresistenza gigante nel 1988, i fenomeni magnetoresistivi hanno iniziato a diventare il nucleo di diversi dispositivi spintronici. Tra questi, i sensori magnetoresistivi sono particolarmente adatti per applicazioni biologiche grazie alla loro elevata sensibilità e alla facilità di integrazione in piattaforme compatte. Questo lavoro si inserisce nel contesto del progetto UMANA, il cui obiettivo è l’applicazione di sensori magnetoresistivi per il rilevamento dei segnali originati dai potenziali d’azione in colture neuronali in-vitro. Lo schema di rilevamento si basa sulla misura dei campi magnetici generati dalle correnti ioniche associate alla propagazione dei potenziali d’azione. In confronto ai metodi convenzionali, l’alta sensibilità, la risoluzione spaziale e la bassa invasività dei sensori magnetoresistivi li rende uno strumento promettente per queste indagini. La prima parte di questa tesi è dedicata allo studio di differenti sensori con lo scopo di determinare quello con le migliori prestazioni, il quale in seguito a ulteriori ottimizzazioni potrà essere usato nell’ambito del progetto UMANA. In questa parte vengono descritte le analisi di rumore sui sensori e le misure di rilevamento del campo magnetico generato da linee di corrente, costruite direttamente sopra il sensore al fine di simulare le correnti neuronali. Nella seconda parte, vengono affrontante gli esperimenti biologici. Viene quindi descritta la realizzazione di una piattaforma per la registrazione dei segnali neuronali che provengono da fettine di ippocampo ottenute da ratti da laboratorio e infine vengono riportati i risultati degli esperimenti in-vitro. Per riassumere, durante questa tesi sono stati affrontati i seguenti argomenti: - Microfabbricazione di sensori basati su giunzioni a effetto tunnel magnetico (MTJ) tramite deposizione con magnetron sputtering e litografia ottica. - Caratterizzazione di sensori tramite misure magnetoresistive. - Misure di rumore su sensori magnetoresistivi utilizzando un analizzatore a cross-correlazione. - Rivelazione della propagazione di corrente in linee d’oro fabbricate tramite litografia ottica sopra i sensori per simulare le correnti neuronali. - Validazione di una piattaforma elettronica dedicata per misure di campo magnetico a basso rumore con sensori magnetoresistivi. - Esperimenti in-vitro su fettine di ippocampo di ratto. Il lavoro sperimentale è stato eseguito con il gruppo NaBiS al Centro PoliFab del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano sotto la supervisione della Dottoressa Daniela Petti e del Professore Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo. L’elettronica integrata utilizzata per la rivelazione dei segnali è stata sviluppata dal gruppo I3N del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria of the Politecnico che ha anche condotto le misure di rumore. Gli aspetti biologici sono stati gestiti dal Centro per le Neuroscienze e le Tecnologie Sinptiche dell’IIT di Genova che si è occupato della preparazione delle fettine di cervello. Questa tesi è organizzata in 5 capitoli. Il primo fornisce una panoramica sui sensori magnetoresistivi e sulle loro applicazioni biologiche. Il secondo capitolo esamina i principi fisici alla base dei sensori analizzati. Il terzo capitolo illustra i metodi sperimentali utilizzati nel corso di questo lavoro di tesi. Nel quarto capitolo, quattro differenti sensori sono analizzati e comparati in termini di prestazioni di rumore e minimo campo misurabile. Nell’ultimo capitolo, sono riportati i risultati degli esperimenti in-vitro, insieme alla procedura di fabbricazione dei sensori MTJ impiegati.