figur 1 GRACE-enhetstillverkning och karakterisering. a Schematisk ritning av ERG-inspelning med GRACE-enheten. b Schematisk illustration av GRACE-tillverkning med G-kvarts och G-Cu. c Fotografier av en GRACE-enhet gjord av G-kvarts. Skalstång, 3 mm. Bilden i infogningen visar den höga mjukheten hos GRACE-enheten. d Optisk transmittans av det blotta parylen-C, och GRACE-enheter tillverkade av G-quartz och G-Cu, alla med parylentjocklek på 25 μm. Transmittansen vid 550 nm våglängd visas i insatsen. e Storlek och fas för elektrokemisk impedans för GRACE-enheter mätt i 1× PBS (pH 7,4). Kredit:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Mjuka genomskinliga grafenkontaktlinselektroder för konform inspelning av hela hornhinnan av elektroretinogram. Natur Kommunikationsvolym 9, Artikelnummer:2334 (2018). Licensierad under en Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Vår syn kan skadas eller förloras av skada på näthinnan - ett sensoriskt membran som kantar baksidan av ögat som känner av ljus, omvandla bilden som bildas till elektrokemiska neuronala signaler - som är resultatet av två klasser av medicinska tillstånd:ett antal ärftliga degenerativa tillstånd - inklusive retinitis pigmentosa, Lebers medfödda amauros, kondystrofi, och Ushers syndrom – såväl som diabetisk retinopati, central retinal venocklusion, sicklecellsretinopati, toxiska och autoimmuna retinopatier, näthinneavlossning, och andra ögonsjukdomar. Att bli korrekt diagnostiserad och behandlad (särskilt när en grå starr äventyrar oftalmoskopi, 2D ögonbottenfotografering, 3-D optisk koherenstomografi, och andra bildverktyg för näthinnan), sådana medicinska tillstånd förlitar sig på elektroretinografi – en känslig teknik som upptäcker och mäter elektriska potentialförändringar vid ögats hornhinneyta som produceras som svar på en ljusstimulus av neuronala och icke-neuronala retinala celler. Ändå, elektroretinografi har historiskt sett stått inför utmaningar i de okulära gränssnittselektroderna som behövs för att detektera ett elektroretinogram (ERG), dessa är patientens obehag på grund av hårda elektroder, begränsade typer av elektroretinogram med en enda typ av elektrod, minskade signalamplituder och stabilitet, och överdrivna ögonrörelser. Nyligen, dock, forskare vid Pekings universitet, Peking, har visat mjuka, transparenta GRAphene kontaktlinselektroder (GRACEs) för konform inspelning av full-hornhinnan elektroretinogramsignal hos kaniner och cynomolgusapor, som visar att deras mjuka grafenkontaktlinselektroder adresserar dessa begränsningar.
Prof. Xiaojie Duan diskuterade uppsatsen att hon, doktorander och huvudförfattare Rongkang Yin och Zheng Xu, och deras medförfattare publicerade i Naturkommunikation . Den största utmaningen med att tillverka kontaktlinselektroder i mjuk grafen med bredspektrat optisk transparens, Dr Duan berättade Phys.org , tillverkade skrynkelfria kontaktlinselektroder, förklarar att rynkor kan orsaka optisk inhomogenitet över elektroden, vilket påverkar ögonbrytningen och noggrannheten hos ljusstimulansmönstret på näthinnan. "Detta underskrider i sin tur effektiviteten för diagnostik av retinopati, ", tillade Dr. Duan. "Grafen som erhållits från konventionell odlingsmetod är en platt film, och rynkor bildas oundvikligen efter överföring av den platta grafenfilmen till den krökta ytan. För att göra en grafenkontaktlinselektrod med hög elektrisk ledningsförmåga och optisk enhetlighet över elektroden, det är viktigt att direkt använda en krökt grafenfilm med jämn tjocklek."
Att tillämpa GRACE på konform elektroretinografisk inspelning av hela hornhinnan uppvisade inga större hinder, fortsatte hon. "Även om det inte finns några primära svårigheter att tillämpa GRACEs på konform och full-hornhinnan elektroretinografisk inspelning så länge som de tillverkade GRACEs har rimlig impedans och optisk transparens, vi kan alltid spela in ffERG- och mfERG-signaler av hög kvalitet. Därför, att få GRACES med rimlig impedans och optisk transparens, grafenfilm med arkresistans" - ett mått på resistansen hos tunna filmer som är nominellt enhetliga i tjocklek - "under 2000 Ω/sq och optisk transparens över 70 % kommer att vara tillräckligt bra."
Dock, den ledande utmaningen för allmän ERG-inspelning är att mäta multifokal ERG (mfERG) – som samtidigt mäter lokala retinala svar från upp till 250 retinala platser inom de centrala 30 graderna kartlagda topografiskt – reflekterar retinalresponsen på stimulering på ett specifikt litet retinalområde. "För multifokala ERG-mätningar, " berättade Dr. Duan Phys.org , "ljusstimuleringsmönstret projiceras på näthinnan. Det är därför viktigt för ögat att ha rätt brytning så att stimulansmönstret kan projiceras tydligt." Dessutom, signalamplituden för multifokal ERG är bara cirka 1/1000:e av den för konventionell fullfälts-ERG (ffERG, som mäter ERG under stimulering av hela näthinnan med en ljuskälla under scotopisk (mörk-anpassad) eller fotopisk (ljus-anpassad) retinal anpassning), medan mfERG kräver relativt längre inspelningsperiod, vilket gör känslighet, bekvämlighet, och stabilt gränssnitt med ögat mycket kritiskt för multifokal ERG-inspelning. "Konventionella kontaktlinselektroder tenderar att förändra ögats refraktion, " påpekade hon, "vilket gör dem olämpliga för multifokal ERG-inspelning." Som sagt, andra elektroder (t.ex. DTL-elektroder), kommer inte att förändra ögats refraktion men lider av låg mätkänslighet och signalstabilitet.
En annan tanke, Dr. Duan noterade, är att den rumsliga fördelningen av ERG-potentialen över hornhinnan har varit en länge existerande fråga. "Konventionella elektroder använder ogenomskinlig metall som inspelningselement, som endast kan lokaliseras i periferin av hornhinnan för att undvika blockering av synen - en situation som förhindrar rumsligt upplöst ERG-inspelning på flera platser, vilket är nödvändigt för att avslöja ERG-potentialfördelningen över hornhinnan. En annan faktor är att för en konventionell styv elektrod, det finns alltid en tjock tårfilm mellan elektroderna och hornhinnan, som kan shunta den potentiella skillnaden mellan olika platser på hornhinnan." Det här sista numret introducerar ännu en betydande utmaning för att belysa ERG-rumsfördelningen över hornhinnan.
Fig. 3 Multifokal ERG-inspelning. a Infraröd ögonbottenfoto av en cynomolgus apa öga taget under mfERG-inspelning med en GRACE-enhet, överlagrat med stimulusarrayen. Den vita prickade ovalen markerar positionen för synnervens huvud och den svarta prickade cirkeln markerar positionen för gula fläcken. b Representation av spårarray inspelad från cynomolgus monkey eye in a med NÅD. Vågorna av 37 fokala ERG-signaler är topografiskt arrangerade. De huvudsakliga mfERG-komponenterna N1, P1, och N2 kan tydligt definieras i dessa vågformer, som märkt för ett av svaren. c Responsdensitetsdiagram (näthinnevy) på P1-våg associerad med b . d MfERG-svaren grupperade och medelvärdesberäknade för var och en av regionerna markerade med olika färger. Värdena visar svarstätheten för P1-toppen (som definieras av trianglarna på spåren) i var och en av de associerade regionerna. Kredit:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Mjuka genomskinliga grafenkontaktlinselektroder för konform inspelning av hela hornhinnan av elektroretinogram. Natur Kommunikationsvolym 9, Artikelnummer:2334 (2018). Licensierad under en Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Dr. Duan beskrev de viktigaste insikterna, 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. "Dessutom, " tillade hon, "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.
As previously noted, it is challenging to record multifocal ERG signals with contact lens electrodes because it tends to alter ocular refraction. "För att lösa det här problemet, " 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 ett 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."
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 Topp, en mjuk, transparent graphene electrode array positioned over a printed paper to show its optical transparency. Skalstång, 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. Skalstång, 150 μm. c A stripped graphene electrode array positioned over a dilated rabbit eye. Skalstång, 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. Natur 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).
Går vidare, 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."
Avslutningsvis, 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
