Fig. 1 Fabrication et caractérisation du dispositif GRACE. une Schéma de l'enregistrement ERG avec l'appareil GRACE. b Illustration schématique de la fabrication GRACE avec G-quartz et G-Cu. c Photographies d'un appareil GRACE en quartz G. Barre d'échelle, 3 millimètres. L'image dans l'encart démontre la grande douceur de l'appareil GRACE. ré Transmission optique du Parylène-C nu, et appareils GRACE en G-quartz et G-Cu, le tout avec une épaisseur de parylène de 25 µm. La transmittance à la longueur d'onde de 550 nm est indiquée dans l'encart. e Ampleur et phase d'impédance électrochimique des dispositifs GRACE mesurées dans 1× PBS (pH 7,4). Crédit :Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Électrodes de lentilles de contact en graphène transparent souple pour l'enregistrement conforme de la cornée complète de l'électrorétinogramme. La nature Communication tome 9, Numéro d'article :2334 (2018). Sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Notre vision peut être endommagée ou perdue par des dommages à la rétine - une membrane sensorielle tapissant l'arrière de l'œil qui détecte la lumière, convertir l'image formée en signaux neuronaux électrochimiques - résultant de deux classes de conditions médicales :un certain nombre de conditions dégénératives héréditaires - y compris la rétinite pigmentaire, amaurose congénitale de Leber, dystrophie des cônes, et le syndrome d'Usher, ainsi que la rétinopathie diabétique, occlusion veineuse centrale de la rétine, rétinopathie drépanocytaire, rétinopathies toxiques et auto-immunes, décollement de la rétine, et d'autres troubles oculaires. Être correctement diagnostiqué et traité (surtout lorsqu'une cataracte compromet l'ophtalmoscopie, Photographie de fond d'oeil en 2D, Tomographie par cohérence optique 3D, et d'autres outils d'imagerie rétinienne), ces conditions médicales reposent sur l'électrorétinographie, une technique sensible qui détecte et mesure les changements de potentiel électrique à la surface cornéenne de l'œil produits en réponse à un stimulus lumineux par les cellules rétiniennes neuronales et non neuronales. Néanmoins, l'électrorétinographie a historiquement fait face à des défis dans les électrodes d'interface oculaire nécessaires pour détecter un électrorétinogramme (ERG), il s'agit de l'inconfort du patient dû aux électrodes dures, des types limités d'électrorétinogrammes avec un seul type d'électrode, amplitudes et stabilité réduites du signal, et mouvements oculaires excessifs. Récemment, cependant, scientifiques de l'Université de Pékin, Pékin, ont fait preuve de douceur, Électrodes de lentilles de contact transparentes GRAphene (GRACEs) pour l'enregistrement conforme du signal d'électrorétinogramme de la cornée complète chez les lapins et les singes cynomolgus, montrant que leurs électrodes de lentilles de contact en graphène souple répondent à ces limitations.
Le professeur Xiaojie Duan a discuté du document qu'elle, étudiants diplômés et auteurs principaux Rongkang Yin et Zheng Xu, et leurs co-auteurs publiés dans Communication Nature . Le plus grand défi dans la fabrication d'électrodes de lentilles de contact en graphène souple avec une transparence optique à large spectre, Le Dr Duan a dit Phys.org , fabriquait des électrodes de lentilles de contact sans plis, expliquant que les plis peuvent provoquer une inhomogénéité optique à travers l'électrode, affectant ainsi la réfraction oculaire et la précision du motif de stimulus lumineux sur la rétine. « Cela réduit à son tour l'efficacité du diagnostic de la rétinopathie, " Le Dr Duan a ajouté. " Le graphène obtenu à partir de la méthode de croissance conventionnelle est un film plat, et des rides se forment inévitablement après le transfert du film plat de graphène sur la surface incurvée. Pour fabriquer une électrode de lentille de contact en graphène avec une conductivité électrique élevée et une uniformité optique à travers l'électrode, il est important d'utiliser directement un film de graphène incurvé d'épaisseur uniforme."
L'application de GRACEs à l'enregistrement électrorétinographique conforme de la cornée entière n'a présenté aucun obstacle majeur, elle a continué. « Bien qu'il n'y ait aucune difficulté principale à appliquer les GRACE à l'enregistrement électrorétinographique conforme et sur toute la cornée tant que les GRACE fabriqués ont une impédance et une transparence optique raisonnables, nous pouvons toujours enregistrer des signaux ffERG et mfERG de haute qualité. Par conséquent, pour obtenir GRACES avec une impédance et une transparence optique raisonnables, film de graphène avec résistance en feuille" - une mesure de la résistance de films minces d'épaisseur nominalement uniforme - "en dessous de 2000 Ω/sq et une transparence optique supérieure à 70 % sera assez bonne."
Cependant, le principal défi pour l'enregistrement ERG général est de mesurer l'ERG multifocal (mfERG) - qui mesure simultanément les réponses rétiniennes locales jusqu'à 250 emplacements rétiniens dans les 30 degrés centraux cartographiés topographiquement - reflète la réponse rétinienne à la stimulation sur une petite zone rétinienne spécifique. "Pour les mesures ERG multifocales, " a dit le Dr Duan Phys.org , « le motif de stimulation lumineuse est projeté sur la rétine. Il est donc important que l'œil ait une réfraction appropriée afin que le motif de stimulation puisse être projeté clairement. » En outre, l'amplitude du signal de l'ERG multifocal n'est que d'environ 1/1000e de celle de l'ERG plein champ conventionnel (ffERG, qui mesure l'ERG sous stimulation de la rétine entière avec une source lumineuse sous adaptation rétinienne scotopique (adapté à l'obscurité) ou photopique (adapté à la lumière), tandis que mfERG nécessite une période d'enregistrement relativement plus longue, ce qui rend la sensibilité, confort, et une interface stable avec l'œil très critique pour l'enregistrement ERG multifocal. « Les électrodes pour lentilles de contact conventionnelles ont tendance à modifier la réfraction de l'œil, " a-t-elle souligné, "ce qui les rend impropres à l'enregistrement ERG multifocal." Cela dit, d'autres électrodes (par exemple, électrodes DTL), n'altère pas la réfraction de l'œil mais souffre d'une faible sensibilité de mesure et d'une faible stabilité du signal.
Autre considération, Le Dr Duan a noté, est que la distribution spatiale du potentiel ERG à travers la cornée est une question qui existe depuis longtemps. "Les électrodes conventionnelles utilisent du métal opaque comme éléments d'enregistrement, qui ne peut être localisé qu'à la périphérie de la cornée afin d'éviter de bloquer la vision - une situation qui empêche l'enregistrement ERG multi-sites à résolution spatiale, ce qui est nécessaire pour révéler la distribution potentielle de l'ERG à travers la cornée. Un autre facteur est que pour une électrode rigide conventionnelle, il y a toujours un film lacrymal épais entre les électrodes et la cornée, qui peut dériver la différence potentielle entre les différents emplacements sur la cornée. » Ce dernier problème présente encore un autre défi important pour élucider la distribution spatiale de l'ERG à travers la cornée.
3 Enregistrement ERG multifocal. une Photo infrarouge du fond d'œil d'un œil de singe cynomolgus prise lors d'un enregistrement mfERG avec un appareil GRACE, superposé avec le tableau de stimulus. L'ovale en pointillé blanc marque la position de la tête du nerf optique et le cercle en pointillé noir marque la position de la macula. b Représentation d'un réseau de traces enregistré à partir de l'œil de singe cynomolgus dans une avec grâce. Les ondes de 37 signaux ERG focaux sont arrangées topographiquement. Les principaux composants mfERG N1, P1, et N2 peut être clairement défini dans ces formes d'onde, comme indiqué pour l'une des réponses. c Diagramme de densité de réponse (vue rétinienne) sur l'onde P1 associée à b . ré Les réponses mfERG regroupées et moyennées pour chacune des régions marquées par des couleurs différentes. Les valeurs montrent la densité de réponse du pic P1 (telle que définie par les triangles sur les traces) dans chacune des régions associées. Crédit :Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Soft transparent graphene contact lens electrodes for conformal full-cornea recording of electroretinogram. La 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. "En outre, " 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.
Comme indiqué précédemment, 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." Par conséquent, 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. une 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. ré 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 ré . 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. La 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).
Avancer, 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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