Afsløring af nethinden:Graphene corneal kontaktlinse giver robust, irritationsfri topografisk elektroretinografi

Vores syn kan blive beskadiget eller tabt af beskadigelse af nethinden - en sensorisk membran, der forer bagsiden af ​​øjet, som registrerer lys, omdannelse af det dannede billede til elektrokemiske neuronale signaler - som følge af to klasser af medicinske tilstande:en række arvelige degenerative tilstande - inklusive retinitis pigmentosa, Lebers medfødte amaurose, kegledystrofi, og Usher syndrom – såvel som diabetisk retinopati, central retinal veneokklusion, seglcelle retinopati, toksiske og autoimmune retinopatier, nethindeløsning, og andre øjenlidelser. At blive korrekt diagnosticeret og behandlet (især når en grå stær kompromitterer oftalmoskopi, 2-D fundus fotografering, 3-D optisk kohærens tomografi, og andre retinale billedværktøjer), sådanne medicinske tilstande er afhængige af elektroretinografi - en følsom teknik, der detekterer og måler elektriske potentialeændringer ved øjets hornhindeoverflade produceret som reaktion på en lysstimulus af neuronale og ikke-neuronale retinale celler. Alligevel, elektroretinografi har historisk set stået over for udfordringer i de okulære grænsefladeelektroder, der er nødvendige for at detektere et elektroretinogram (ERG), disse er patientens ubehag på grund af hårde elektroder, begrænsede typer elektroretinogrammer med en enkelt type elektrode, reducerede signalamplituder og stabilitet, og overdreven øjenbevægelse. For nylig, imidlertid, forskere ved Peking Universitet, Beijing, har vist blød, transparente GRAphene-kontaktlinseelektroder (GRACE'er) til konform fuld-hornhinde-elektroretinogram-signaloptagelse hos kaniner og cynomolgusaber, viser, at deres bløde grafen kontaktlinseelektroder adresserer disse begrænsninger.

Prof. Xiaojie Duan diskuterede papiret, at hun, kandidatstuderende og hovedforfatterne Rongkang Yin og Zheng Xu, og deres medforfattere udgivet i Naturkommunikation . Den største udfordring i at fremstille bløde grafen kontaktlinseelektroder med bredspektret optisk gennemsigtighed, Dr. Duan fortalte Phys.org , fremstillede rynkefri kontaktlinseelektroder, forklarer, at rynker kan forårsage optisk inhomogenitet på tværs af elektroden, derved påvirkes okulær refraktion og nøjagtigheden af ​​lysstimulusmønsteret på nethinden. "Dette undergraver igen effektiviteten af ​​diagnosticering af retinopati, " Dr. Duan tilføjede. "Graphene opnået ved konventionel vækstmetode er en flad film, og rynker dannes uundgåeligt efter overførsel af den flade grafenfilm til den buede overflade. At lave en grafen kontaktlinseelektrode med høj elektrisk ledningsevne og optisk ensartethed på tværs af elektroden, det er vigtigt direkte at bruge en buet grafenfilm med ensartet tykkelse."

Anvendelse af GRACE'er på konform fuld-hornhinde elektroretinografisk optagelse frembyde ingen større forhindringer, fortsatte hun. "Selvom der ikke er nogen primære vanskeligheder med at anvende GRACE'er til konforme og fuld-hornhinde elektroretinografiske optagelser, så længe de fremstillede GRACE'er har rimelig impedans og optisk gennemsigtighed, vi kan altid optage ffERG- og mfERG-signaler af høj kvalitet. Derfor, at få GRACES med rimelig impedans og optisk gennemsigtighed, grafenfilm med arkmodstand" - et mål for modstanden af ​​tynde film, der er nominelt ensartede i tykkelsen - "under 2000 Ω/sq og optisk transparens over 70 % vil være godt nok."

Imidlertid, den førende udfordring for generel ERG-optagelse er at måle multifokal ERG (mfERG) - som samtidig måler lokale nethinderesponser fra op til 250 nethindeplaceringer inden for de centrale 30 grader kortlagt topografisk - afspejler nethindens respons på stimulation på et specifikt lille nethindeområde. "For multifokale ERG-målinger, " fortalte Dr. Duan Phys.org , "lysstimuleringsmønsteret projiceres ind på nethinden. Det er derfor vigtigt for øjet at have korrekt brydning, så stimulusmønsteret kan projiceres tydeligt." Ud over, signalamplituden af ​​multifokal ERG er kun omkring 1/1000 af den for konventionel fuldfelts ERG (ffERG, som måler ERG under stimulering af hele nethinden med en lyskilde under scotopisk (mørketilpasset) eller fotopisk (lystilpasset) nethindetilpasning), mens mfERG kræver relativt længere optageperiode – hvilket gør følsomhed, komfort, og stabil grænseflade med øjet meget kritisk for multifokal ERG-optagelse. "Konventionelle kontaktlinseelektroder har en tendens til at ændre øjets brydning, " påpegede hun, "hvilket gør dem uegnede til multifokal ERG-optagelse." Det sagt, andre elektroder (f.eks. DTL elektroder), vil ikke ændre øjets brydning, men lider af lav målefølsomhed og signalstabilitet.

En anden overvejelse, Dr. Duan bemærkede, er, at den rumlige fordeling af ERG-potentialet over hornhinden har været et længe eksisterende spørgsmål. "Konventionelle elektroder bruger uigennemsigtigt metal som optageelementer, som kun kan placeres i periferien af ​​hornhinden for at undgå blokering af synet - en situation, der forhindrer multi-site rumligt løst ERG-optagelse, hvilket er nødvendigt for at afsløre den potentielle ERG-fordeling over hornhinden. En anden faktor er, at for en konventionel stiv elektrode, der er altid tyk tårefilm mellem elektroderne og hornhinden, som kan shunte den potentielle forskel mellem forskellige steder på hornhinden." Dette sidste nummer introducerer endnu en væsentlig udfordring med at belyse ERG rumlige fordeling over hornhinden.

Dr. Duan beskrev de vigtigste indsigter, innovationer og teknikker, de udnyttede til at løse disse udfordringer. "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. "Ud over, " tilføjede hun, "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.

Som tidligere nævnt, it is challenging to record multifocal ERG signals with contact lens electrodes because it tends to alter ocular refraction. "For at løse dette 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." Som resultat, 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."

Bevæger sig fremad, Dr. Duan identified three planned next steps in the scientists' research, these being:

• Improving electrode gas permeability to make it more suitable for long-term wear
• Fabricate high-density two-dimensional soft transparent electrode array to map the ERG potential across the entire corneal surface
• Apply the soft transparent graphene microelectrode array for in vivo recording of electrical activity of retinal ganglion cells at single-cell level

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."

Afslutningsvis 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."

© 2018 Phys.org