Figura 1 Fabricación y caracterización de dispositivos GRACE. a Dibujo esquemático de la grabación ERG con el dispositivo GRACE. B Ilustración esquemática de la fabricación GRACE con G-quartz y G-Cu. C Fotografías de un dispositivo GRACE hecho de cuarzo G. Barra de escala, 3 mm. La imagen del recuadro demuestra la gran suavidad del dispositivo GRACE. D Transmitancia óptica del parileno-C desnudo, y dispositivos GRACE hechos de G-quartz y G-Cu, todos con un espesor de parileno de 25 μm. La transmitancia a una longitud de onda de 550 nm se muestra en el recuadro. mi Magnitud y fase de la impedancia electroquímica de los dispositivos GRACE medida en 1 × PBS (pH 7,4). Crédito:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Electrodos de lentes de contacto de grafeno transparentes suaves para el registro conforme de la córnea completa del electrorretinograma. Naturaleza Volumen de comunicaciones 9, Número de artículo:2334 (2018). Con licencia de Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Nuestra visión puede dañarse o perderse debido a daños en la retina, una membrana sensorial que recubre la parte posterior del ojo que detecta la luz. convertir la imagen formada en señales neuronales electroquímicas, como resultado de dos clases de afecciones médicas:una serie de afecciones degenerativas heredadas, incluida la retinosis pigmentaria, Amaurosis congénita de Leber, distrofia de conos, y el síndrome de Usher, así como la retinopatía diabética, oclusión de la vena central de la retina, retinopatía de células falciformes, retinopatías tóxicas y autoinmunes, desprendimiento de retina, y otros trastornos oculares. Ser diagnosticado y tratado adecuadamente (especialmente cuando una catarata compromete la oftalmoscopia, Fotografía de fondo de ojo 2-D, Tomografía de coherencia óptica 3-D, y otras herramientas de imágenes de la retina), tales condiciones médicas se basan en la electrorretinografía, una técnica sensible que detecta y mide los cambios de potencial eléctrico en la superficie corneal del ojo producidos en respuesta a un estímulo de luz por células retinianas neuronales y no neuronales. Sin embargo, Históricamente, la electrorretinografía ha enfrentado desafíos en los electrodos de la interfaz ocular necesarios para detectar un electrorretinograma (ERG), estas son molestias para el paciente debido a electrodos duros, tipos limitados de electrorretinogramas con un solo tipo de electrodo, amplitudes y estabilidad reducidas de la señal, y movimiento excesivo de los ojos. Recientemente, sin embargo, científicos de la Universidad de Pekín, Beijing, han demostrado ser suaves, Electrodos de lentes de contacto GRAphene transparentes (GRACEs) para el registro de señales de electrorretinograma de córnea completa conforme en conejos y monos cynomolgus, mostrando que sus electrodos de lentes de contacto de grafeno suave abordan estas limitaciones.
La profesora Xiaojie Duan discutió el documento que ella, estudiantes graduados y autores principales Rongkang Yin y Zheng Xu, y sus coautores publicados en Comunicaciones de la naturaleza . El mayor desafío en la fabricación de electrodos de lentes de contacto de grafeno blando con transparencia óptica de amplio espectro, Dr. Duan dijo Phys.org , estaba fabricando electrodos para lentes de contacto sin arrugas, explicando que las arrugas pueden causar falta de homogeneidad óptica a través del electrodo, afectando así la refracción ocular y la precisión del patrón de estímulo de luz en la retina. "Esto, a su vez, socava la eficacia del diagnóstico de retinopatía, "El Dr. Duan agregó." El grafeno obtenido del método de crecimiento convencional es una película plana, y las arrugas se forman inevitablemente después de transferir la película plana de grafeno a la superficie curva. Para hacer un electrodo de lente de contacto de grafeno con alta conductividad eléctrica y uniformidad óptica a través del electrodo, es importante utilizar directamente una película de grafeno curva con un espesor uniforme ".
La aplicación de GRACE al registro electrorretinográfico conformal de córnea completa no presentó mayores obstáculos, ella continuó. "Si bien no existe una dificultad principal en la aplicación de GRACE a registros electrorretinográficos conformados y de córnea completa, siempre que los GRACE fabricados tengan una impedancia y transparencia óptica razonables, Siempre podemos grabar señales ffERG y mfERG de alta calidad. Por lo tanto, para obtener GRACIAS con impedancia razonable y transparencia óptica, película de grafeno con resistencia laminar "—una medida de la resistencia de películas delgadas que son nominalmente uniformes en espesor—" por debajo de 2000 Ω / sq y transparencia óptica por encima del 70% será suficiente ".
Sin embargo, El principal desafío para el registro general de ERG es medir el ERG multifocal (mfERG), que mide simultáneamente las respuestas retinianas locales de hasta 250 ubicaciones retinianas dentro de los 30 grados centrales mapeados topográficamente, refleja la respuesta retiniana a la estimulación en un área retiniana pequeña específica. "Para mediciones ERG multifocales, "El Dr. Duan dijo Phys.org , "El patrón de estimulación de luz se proyecta sobre la retina. Por lo tanto, es importante que el ojo tenga la refracción adecuada para que el patrón de estímulo se pueda proyectar con claridad". Además, la amplitud de la señal del ERG multifocal es solo aproximadamente 1/1000 de la del ERG de campo completo convencional (ffERG, que mide ERG bajo estimulación completa de la retina con una fuente de luz bajo adaptación retiniana escotópica (adaptada a la oscuridad) o fotópica (adaptada a la luz), mientras que mfERG requiere un período de registro relativamente más largo, lo que hace que la sensibilidad, comodidad, y una interfaz estable con el ojo muy importante para la grabación ERG multifocal. "Los electrodos de lentes de contacto convencionales tienden a alterar la refracción del ojo, "ella señaló, "lo que los hace inadecuados para la grabación ERG multifocal". Dicho eso otros electrodos (por ejemplo, Electrodos DTL), no alterará la refracción del ojo, pero sufrirá una baja sensibilidad de medición y estabilidad de la señal.
Otra consideración, El Dr. Duan señaló, es que la distribución espacial del potencial ERG a lo largo de la córnea ha sido una cuestión que existe desde hace mucho tiempo. "Los electrodos convencionales utilizan metal opaco como elementos de grabación, que solo se puede ubicar en la periferia de la córnea para evitar bloquear la visión, una situación que evita la grabación de ERG resuelta espacialmente en múltiples sitios, lo cual es necesario para revelar la distribución potencial de ERG a través de la córnea. Otro factor es que para un electrodo rígido convencional, siempre hay una película lagrimal gruesa entre los electrodos y la córnea, que puede desviar la diferencia de potencial entre diferentes ubicaciones de la córnea ". Este último número introduce otro desafío importante para dilucidar la distribución espacial de ERG a través de la córnea.
Fig. 3 Grabación ERG multifocal. a Foto infrarroja del fondo de ojo de un ojo de mono cynomolgus tomada durante la grabación mfERG con un dispositivo GRACE, superpuesto con la matriz de estímulos. El óvalo punteado blanco marca la posición de la cabeza del nervio óptico y el círculo punteado negro marca la posición de la mácula. B Representación de la matriz de trazas registrada del ojo del mono cynomolgus en a con gracia. Las ondas de 37 señales ERG focales están dispuestas topográficamente. Los principales componentes de mfERG N1, P1, y N2 se puede definir claramente en estas formas de onda, como se indica en una de las respuestas. C Gráfico de densidad de respuesta (vista retiniana) en la onda P1 asociada con B . D Las respuestas de mfERG se agruparon y promediaron para cada una de las regiones marcadas por diferentes colores. Los valores muestran la densidad de respuesta del pico P1 (como se define por los triángulos en los trazos) en cada una de las regiones asociadas. Crédito:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Soft transparent graphene contact lens electrodes for conformal full-cornea recording of electroretinogram. Naturaleza 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. "Además, " 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.
Como se señaló anteriormente, 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." Como resultado, 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. a Diagram of graphene multi-electrode array construction showing the layered structures. B Top, a soft, 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. mi 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 mi . The lines show the quadratic curve fitting of the a- and b-wave amplitudes. gramo 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. Naturaleza 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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