Fig. 1 Fabbricazione e caratterizzazione del dispositivo GRACE. un Disegno schematico della registrazione ERG con il dispositivo GRACE. B Illustrazione schematica della fabbricazione GRACE con G-quartz e G-Cu. C Fotografie di un dispositivo GRACE realizzato in quarzo G. Barra della scala, 3mm. L'immagine nell'inserto dimostra l'elevata morbidezza del dispositivo GRACE. D Trasmittanza ottica del nudo Parylene-C, e dispositivi GRACE realizzati in G-quartz e G-Cu, il tutto con Parylene spessore 25 µm. La trasmittanza alla lunghezza d'onda di 550 nm è mostrata nel riquadro. e Magnitudo e fase dell'impedenza elettrochimica dei dispositivi GRACE misurata in 1× PBS (pH 7.4). Credito:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Elettrodi per lenti a contatto in grafene morbido e trasparente per la registrazione conforme dell'intera cornea dell'elettroretinogramma. Natura Comunicazioni volume 9, Numero articolo:2334 (2018). Concesso in licenza con licenza internazionale Creative Commons Attribuzione 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
La nostra vista può essere danneggiata o persa da un danno alla retina, una membrana sensoriale che riveste la parte posteriore dell'occhio che rileva la luce, convertire l'immagine formata in segnali neuronali elettrochimici, risultanti da due classi di condizioni mediche:una serie di condizioni degenerative ereditarie, tra cui la retinite pigmentosa, amaurosi congenita di Leber, distrofia del cono, e sindrome di Usher, così come la retinopatia diabetica, occlusione della vena retinica centrale, retinopatia falciforme, retinopatie tossiche e autoimmuni, distacco della retina, e altri disturbi oculari. Per essere adeguatamente diagnosticati e trattati (soprattutto quando una cataratta compromette l'oftalmoscopia, fotografia del fondo in 2-D, Tomografia a coerenza ottica 3D, e altri strumenti di imaging retinico), tali condizioni mediche si basano sull'elettroretinografia, una tecnica sensibile che rileva e misura i cambiamenti del potenziale elettrico sulla superficie corneale dell'occhio prodotti in risposta a uno stimolo luminoso da cellule retiniche neuronali e non neuronali. Tuttavia, l'elettroretinografia ha storicamente affrontato sfide negli elettrodi dell'interfaccia oculare necessari per rilevare un elettroretinogramma (ERG), questi sono disagio del paziente a causa di elettrodi duri, tipi limitati di elettroretinogrammi con un solo tipo di elettrodo, ampiezza e stabilità del segnale ridotte, e l'eccessivo movimento degli occhi. Recentemente, però, scienziati dell'Università di Pechino, Pechino, hanno dimostrato morbido, GRAfene trasparente elettrodi per lenti a contatto (GRACE) per la registrazione conforme del segnale dell'elettroretinogramma della cornea intera in conigli e scimmie cynomolgus, mostrando che i loro elettrodi per lenti a contatto in grafene morbido affrontano queste limitazioni.
La prof.ssa Xiaojie Duan ha discusso il documento che lei, studenti laureati e autori principali Rongkang Yin e Zheng Xu, e i loro coautori pubblicati in Comunicazioni sulla natura . La più grande sfida nella fabbricazione di elettrodi per lenti a contatto in grafene morbido con trasparenza ottica ad ampio spettro, Il dottor Duan ha detto Phys.org , stava fabbricando elettrodi per lenti a contatto senza rughe, spiegando che le rughe possono causare disomogeneità ottica attraverso l'elettrodo, influenzando così la rifrazione oculare e l'accuratezza del modello di stimolo luminoso sulla retina. "Questo a sua volta riduce l'efficacia della diagnosi di retinopatia, " ha aggiunto il dottor Duan. "Il grafene ottenuto dal metodo di crescita convenzionale è un film piatto, e le rughe si formano inevitabilmente dopo aver trasferito il film piatto di grafene sulla superficie curva. Per realizzare un elettrodo per lenti a contatto in grafene con elevata conduttività elettrica e uniformità ottica attraverso l'elettrodo, è importante utilizzare direttamente un film di grafene curvo con uno spessore uniforme."
L'applicazione dei GRACE alla registrazione elettroretinografica conforme dell'intera cornea non ha presentato grossi ostacoli, lei continuò. "Anche se non c'è alcuna difficoltà primaria nell'applicare i GRACE alla registrazione elettroretinografica conforme e su tutta la cornea, purché i GRACE fabbricati abbiano un'impedenza ragionevole e una trasparenza ottica, possiamo sempre registrare segnali ffERG e mfERG di alta qualità. Perciò, ottenere GRAZIE con ragionevole impedenza e trasparenza ottica, film di grafene con resistenza del foglio"—una misura della resistenza dei film sottili che sono nominalmente uniformi nello spessore—"sotto 2000 Ω/sq e una trasparenza ottica superiore al 70% sarà sufficiente."
Però, la sfida principale per la registrazione ERG generale è misurare l'ERG multifocale (mfERG), che misura simultaneamente le risposte retiniche locali da un massimo di 250 posizioni retiniche entro i 30 gradi centrali mappati topograficamente, riflette la risposta retinica alla stimolazione su una specifica piccola area retinica. "Per le misurazioni ERG multifocali, " Ha detto il dottor Duan Phys.org , "il modello di stimolazione della luce viene proiettato sulla retina. È quindi importante che l'occhio abbia una rifrazione adeguata in modo che il modello di stimolo possa essere proiettato chiaramente". Inoltre, l'ampiezza del segnale dell'ERG multifocale è solo circa 1/1000 di quella dell'ERG convenzionale a campo intero (ffERG, che misura l'ERG sotto stimolazione dell'intera retina con una sorgente luminosa sotto adattamento retinico scotopico (adattato al buio) o fotopico (adattato alla luce), mentre mfERG richiede un periodo di registrazione relativamente più lungo, rendendo la sensibilità, comfort, e interfacciamento stabile con l'occhio molto critico per la registrazione ERG multifocale. "Gli elettrodi per lenti a contatto convenzionali tendono ad alterare la rifrazione dell'occhio, "ha sottolineato, "che li rende inadatti alla registrazione ERG multifocale." Detto ciò, altri elettrodi (ad esempio, elettrodi DTL), non altera la rifrazione dell'occhio ma soffre di una bassa sensibilità di misurazione e stabilità del segnale.
Un'altra considerazione, Il dottor Duan ha notato, è che la distribuzione spaziale del potenziale ERG attraverso la cornea è stata una questione di vecchia data. "Gli elettrodi convenzionali utilizzano il metallo opaco come elementi di registrazione, che può essere localizzato solo alla periferia della cornea per evitare di bloccare la visione, una situazione che impedisce la registrazione ERG risolta spazialmente in più siti, che è necessario per rivelare la distribuzione del potenziale ERG attraverso la cornea. Un altro fattore è che per un elettrodo rigido convenzionale, c'è sempre uno spesso film lacrimale tra gli elettrodi e la cornea, che può deviare la potenziale differenza tra diverse posizioni sulla cornea." Quest'ultimo numero introduce un'altra sfida significativa nel chiarire la distribuzione spaziale dell'ERG attraverso la cornea.
Fig. 3 Registrazione ERG multifocale. un Foto a infrarossi del fondo oculare di un occhio di scimmia cynomolgus scattata durante la registrazione mfERG con un dispositivo GRACE, sovrapposto alla matrice dello stimolo. L'ovale tratteggiato bianco indica la posizione della testa del nervo ottico e il cerchio tratteggiato nero indica la posizione della macula. B Rappresentazione della matrice di tracce registrata dall'occhio di scimmia cynomolgus in un con GRAZIA. Le onde di 37 segnali ERG focali sono disposte topograficamente. I principali componenti mfERG N1, P1, e N2 possono essere chiaramente definiti in queste forme d'onda, come indicato per una delle risposte. C Grafico della densità di risposta (vista retinica) sull'onda P1 associata a B . D Le risposte mfERG sono state raggruppate e mediate per ciascuna delle regioni contrassegnate da colori diversi. I valori mostrano la densità di risposta del picco P1 (come definito dai triangoli sulle tracce) in ciascuna delle regioni associate. Credito:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Soft transparent graphene contact lens electrodes for conformal full-cornea recording of electroretinogram. Nature Communications volume 9, Article number:2334 (2018). Licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Dr. Duan described the key insights, innovations and techniques they leveraged to address these challenges. "As I mentioned, we eliminate wrinkles by using a curved graphene film directly grown on curved quartz mold—and the film's shape and curvature can be easily tuned by changing those of the quartz molds." The key point, she emphasizes, is the curved graphene film's uniform thickness leads to the resulting GRACEs having uniform electrical conductivity and optical transparency across the entire contact lens electrode, which is what is unique about the team's GRACEs when compared to previously-reported graphene-based eye interfacing devices. "In addition, " she added, "we established and optimized the electrode fabrication flow." She emphasizes that by directly depositing ultrathin insulating film (Parylene-C, which forms the GRACE substrate) onto the graphene/quartz complex, and then etching the quartz mold, GRACE devices can be readily fabricated." The key takeaway is that this fabrication strategy avoids poly(methyl methacrylate) (PMMA)—a transparent thermoplastic (also referred to as an acrylic or acrylic glass) commonly used for graphene transfer, which not only avoids possible PMMA contamination that could cause optical inhomogeneity, but also maintains graphene film integrity—a factor critical to maintaining GRACE electrical conductivity.
Come precedentemente notato, it is challenging to record multifocal ERG signals with contact lens electrodes because it tends to alter ocular refraction. "To solve this problem, " Dr. Duan pointed out, "we designed the GRACE to be soft and conformable to the cornea surface with a tight GRACE/cornea interface." This avoids the formation of thick liquid gaps or air gaps between the electrode and the cornea—the main origin of refraction change when wearing hard contact lens electrodes. As shown in their paper, GRACEs can successfully record high-quality multifocal ERG signals, which is indicative of the advantages of GRACEs over hard contact lens electrodes.
To provide efficient multi-site, spatially-resolved ERG recording, the scientists designed and deployed a soft, transparent graphene multi-electrode array. "The soft electrode's tight interface with the cornea avoided tear film shunting, " she explained, "and high optical transparency enables placement of high-density electrode array across the entire corneal surface without blocking the vision or affecting the light stimulus uniformity." Di conseguenza, they observed a stronger signal at the central cornea than the periphery, proving the advantages of the soft transparent graphene-based electrodes in ERG recordings.
As to implications of their findings regarding GRACE for in vivo visual electrophysiology studies, Dr. Duan reiterated that their graphene-based contact lens electrodes show the capability for high-efficacy recording of various kinds of ERG recording, including ffERG, mfERG, and meERG (multi-electrode ERG, which maps spatial differences in retinal activity using a conventional full-field stimulus and an array of electrodes on the cornea)—a flexibility not achievable by conventional ERG electrodes. "With further testing and development, " she underscored, "it could replace the traditional electrodes and be used in clinical practice. In addition, because retinal lesions can cause change of the local corneal potentials, the multi-electrode ERG recording with the graphene microelectrode array demonstrated herein provides a potential functional retinal electrophysiological imaging technique that can be used as a diagnostic tool for detecting local areas of retinal dysfunction under single full-field stimulus."
Fig. 5 . Multi-electrode ERG recording with soft, transparent graphene electrode array. un Diagram of graphene multi-electrode array construction showing the layered structures. B Top, un morbido, transparent graphene electrode array positioned over a printed paper to show its optical transparency. Scale bar, 5 mm. The recording sites, arranged in a linear pattern, are located in the region marked by the red box. Under each recording site, there is a channel number patterned with Au which is optically opaque. Bottom, optical microscopy image showing some of the graphene electrode sites and traces. The red box marks the graphene recording sites. The black arrow points to the patterned SU-8 insulation layer on one electrode. Scale bar, 150 μm. C A stripped graphene electrode array positioned over a dilated rabbit eye. Scale bar, 5 mm. D A schematic drawing showing the positions of the recording channels (marked by the squares) on a rabbit eye. Channel 1 to 13 was evenly distributed over equator of the cornea from temporal to nasal periphery. e A representative set of the multi-electrode scotopic ERG response waveforms. Stimulus strength, 0.3 cd sm−2. The placement of the graphene electrode array is shown in D . The crosses mark the positions of the a and b- waves. Channels 4 and 7 have abnormally high impedance and are considered non-functional. F Plots of the electrode impedance values |Z| at 100 Hz, a- and b-wave amplitudes of the ERG signals recorded from different channels associated with e . The lines show the quadratic curve fitting of the a- and b-wave amplitudes. G Spatial profile of b-wave amplitudes under different stimulation strength. 0 dB corresponds to 3.0 cd sm−2. The dots in the overlaid grid mark the positions with actual experimental data. Credit:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Soft transparent graphene contact lens electrodes for conformal full-cornea recording of electroretinogram. Nature Communications volume 9, Article number:2334 (2018). Licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Moving forward, Dr. Duan identified three planned next steps in the scientists' research, these being:
She also discussed research and other innovations they might consider developing. "Based on nanomaterials and nanotechnology, we seek to develop techniques that can record or modulate neural activities at large scales with high spatio-temporal resolution and long-term stability, and to explore the application of these techniques in understanding fundamental and pathological brain processes."
In closing, Dr. Duan listed other areas of research that might benefit from their study. "Soft transparent electrodes also enable simultaneous electrophysiology and optical neural imaging or stimulation, which is important for studying the connectivity and function of neural circuits. Conventional neural surface electrode arrays using opaque metal conductors are not suitable for use in simultaneous electrical and optical neural interfacing because they block the field of view and are prone to producing light-induced artifacts in the electrical recordings. The soft transparent graphene microelectrode array described herein can be used in research combining optical and electrical modalities in neural interfacing."
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