Figura 1 Fabricação e caracterização de dispositivos GRACE. uma Desenho esquemático da gravação ERG com o dispositivo GRACE. b Ilustração esquemática da fabricação GRACE com G-quartzo e G-Cu. c Fotografias de um dispositivo GRACE feito de G-quartzo. Barra de escala, 3 mm. A imagem na inserção demonstra a alta suavidade do dispositivo GRACE. d Transmitância óptica do Parileno-C nu, e dispositivos GRACE feitos de G-quartzo e G-Cu, todos com espessura de parileno de 25 μm. A transmitância no comprimento de onda de 550 nm é mostrada na inserção. e Magnitude e fase da impedância eletroquímica dos dispositivos GRACE medidos em 1 × PBS (pH 7,4). Crédito:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Eletrodos de lentes de contato de grafeno macio e transparente para registro conformado de córnea total do eletrorretinograma. Natureza Volume de comunicações 9, Número do artigo:2334 (2018). Licenciado sob uma Licença Internacional Creative Commons Atribuição 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode).
Nossa visão pode ser danificada ou perdida por danos à retina - uma membrana sensorial que reveste a parte de trás do olho que detecta a luz, converter a imagem formada em sinais neuronais eletroquímicos - resultantes de duas classes de condições médicas:uma série de doenças degenerativas hereditárias - incluindo retinite pigmentosa, Amaurose congênita de Leber, distrofia de cone, e Síndrome de Usher - bem como retinopatia diabética, oclusão da veia central da retina, retinopatia falciforme, retinopatias tóxicas e auto-imunes, descolamento de retina, e outras doenças oculares. Para ser devidamente diagnosticado e tratado (especialmente quando uma catarata compromete a oftalmoscopia, Fotografia de fundo 2-D, Tomografia de coerência óptica 3-D, e outras ferramentas de imagens retinais), tais condições médicas dependem da eletrorretinografia - uma técnica sensível que detecta e mede mudanças no potencial elétrico na superfície da córnea do olho, produzidas em resposta a um estímulo de luz por células retinais neuronais e não neuronais. No entanto, a eletrorretinografia historicamente enfrentou desafios nos eletrodos de interface ocular necessários para detectar um eletrorretinograma (ERG), sendo desconforto do paciente devido a eletrodos duros, tipos limitados de eletrorretinogramas com um único tipo de eletrodo, amplitudes de sinal reduzidas e estabilidade, e movimento excessivo dos olhos. Recentemente, Contudo, cientistas da Universidade de Pequim, Pequim, demonstraram ser macio, Eletrodos de lente de contato de GRAfeno transparente (GRACEs) para registro de sinal de eletrorretinograma de córnea total conformado em coelhos e macacos cinomolgos, mostrando que seus eletrodos de lentes de contato de grafeno macio abordam essas limitações.
O prof. Xiaojie Duan discutiu o artigo que ela, alunos de pós-graduação e autores principais Rongkang Yin e Zheng Xu, e seus co-autores publicados em Nature Communications . O maior desafio na fabricação de eletrodos de lentes de contato de grafeno macio com transparência óptica de amplo espectro, Dr. Duan disse Phys.org , estava fabricando eletrodos de lentes de contato sem rugas, explicando que as rugas podem causar falta de homogeneidade óptica em todo o eletrodo, afetando assim a refração ocular e a precisão do padrão de estímulo de luz na retina. "Isso, por sua vez, reduz a eficácia do diagnóstico de retinopatia, "Dr. Duan acrescentou." O grafeno obtido a partir do método de crescimento convencional é uma película plana, e rugas se formam inevitavelmente após a transferência do filme plano de grafeno para a superfície curva. Para fazer um eletrodo de lente de contato de grafeno com alta condutividade elétrica e uniformidade óptica em todo o eletrodo, é importante usar diretamente um filme de grafeno curvo com espessura uniforme. "
A aplicação de GRACEs ao registro eletrorretinográfico conformado de córnea inteira não apresentou grandes obstáculos, ela continuou. "Embora não haja nenhuma dificuldade primária em aplicar GRACEs ao registro eletrorretinográfico conformado e de córnea completa, desde que os GRACEs fabricados tenham impedância e transparência ótica razoáveis, sempre podemos gravar sinais ffERG e mfERG de alta qualidade. Portanto, para obter GRACES com impedância e transparência óptica razoáveis, filme de grafeno com resistência de folha "- uma medida da resistência de filmes finos que são nominalmente uniformes em espessura -" abaixo de 2.000 Ω / sq e transparência óptica acima de 70% será suficiente. "
Contudo, o principal desafio para o registro de ERG geral é medir o ERG multifocal (mfERG) - que mede simultaneamente as respostas retinianas locais de até 250 localizações retinianas dentro dos 30 graus centrais mapeados topograficamente - reflete a resposta retinal à estimulação em uma pequena área retiniana específica. "Para medições ERG multifocais, "Dr. Duan disse Phys.org , "o padrão de estimulação de luz é projetado na retina. Portanto, é importante que o olho tenha uma refração adequada para que o padrão de estímulo possa ser projetado com clareza." Além disso, a amplitude do sinal de ERG multifocal é apenas cerca de 1/1000 do ERG de campo completo convencional (ffERG, que mede ERG sob estimulação retina inteira com uma fonte de luz sob adaptação retinal escotópica (adaptada ao escuro) ou fotópica (adaptada à luz)), enquanto o mfERG requer um período de gravação relativamente mais longo - tornando a sensibilidade, conforto, e interface estável com o olho muito crítica para gravação ERG multifocal. "Eletrodos convencionais de lentes de contato tendem a alterar a refração do olho, "ela apontou, "o que os torna inadequados para gravação ERG multifocal." Dito isto, outros eletrodos (por exemplo, Eletrodos DTL), não altera a refração do olho, mas sofre de baixa sensibilidade de medição e estabilidade de sinal.
Outra consideração, Dr. Duan observou, é que a distribuição espacial do potencial ERG através da córnea tem sido uma questão existente há muito tempo. "Eletrodos convencionais usam metal opaco como elementos de registro, que só pode ser localizado na periferia da córnea, a fim de evitar o bloqueio da visão, uma situação que impede a gravação ERG espacialmente resolvida em vários locais, que é necessário para revelar a distribuição potencial de ERG pela córnea. Outro fator é que, para um eletrodo rígido convencional, sempre há uma película lacrimal espessa entre os eletrodos e a córnea, que pode desviar a diferença de potencial entre diferentes locais na córnea. ”Esta última edição apresenta outro desafio significativo na elucidação da distribuição espacial do ERG pela córnea.
Fig. 3 Gravação ERG multifocal. uma Foto infravermelha do fundo de um olho de macaco cinomolgo tirada durante a gravação mfERG com um dispositivo GRACE, sobreposto com a matriz de estímulo. O oval pontilhado branco marca a posição da cabeça do nervo óptico e o círculo pontilhado preto marca a posição da mácula. b Representação da matriz de rastreamento registrada a partir do olho do macaco cynomolgus em uma com graça. As ondas de 37 sinais ERG focais são organizadas topograficamente. Os principais componentes do mfERG N1, P1, e N2 pode ser claramente definido nessas formas de onda, conforme rotulado para uma das respostas. c Gráfico de densidade de resposta (vista da retina) na onda P1 associada a b . d As respostas mfERG agrupadas e calculadas em média para cada uma das regiões marcadas por cores diferentes. The values show response density of the P1 peak (as defined by the triangles on the traces) in each of the associated regions. Credit:Rongkang Yin, Zheng Xu, Xiaojie Duan, et al. Soft transparent graphene contact lens electrodes for conformal full-cornea recording of electroretinogram. Natureza 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.
As previously noted, 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 na 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. uma Diagram of graphene multi-electrode array construction showing the layered structures. b Top, Um leve, 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. Natureza 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).
Seguindo em frente, 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."
© 2018 Phys.org
