Ujawnienie siatkówki: soczewkowa soczewka kontaktowa grafenu zapewnia mocną, nie drażniącą topografię elektroretinografię

Anonim

Nasze widzenie może zostać uszkodzone lub utracone przez uszkodzenie siatkówki - czuciowej błony wyściełającej plecy, która wyczuwa światło, przekształcając utworzony obraz w elektrochemiczne sygnały neuronalne - wynikające z dwóch klas stanów medycznych: pewnej liczby dziedzicznych chorób zwyrodnieniowych. w tym barwnik siatkówki, wrodzona amauroza Lebera, dystrofia stożka i zespół Ushera - jak również retinopatia cukrzycowa, niedrożność środkowej żyły siatkówki, retinopatia sierpowata, toksyczne retinopatie autoimmunologiczne, oderwanie siatkówki i inne zaburzenia oczne. Aby być właściwie zdiagnozowanym i leczonym (szczególnie, gdy zaćma zaburza oftalmoskopię, zdjęcie dna oka 2-D, koherentną tomografię 3D i inne narzędzia obrazowania siatkówki), takie stany medyczne opierają się na elektroretinografii - czułej technice wykrywającej i mierzącej potencjał elektryczny zmiany na powierzchni rogówki oka wytwarzane w odpowiedzi na bodziec świetlny przez neuronalne i nieneuronalne komórki siatkówki. Niemniej jednak, elektroretinografia od dawna napotykała na wyzwania związane z elektrodami ocznymi, potrzebne do wykrycia elektroretinogramu (ERG), będącego dyskomfortem pacjenta spowodowanym twardymi elektrodami, ograniczonymi typami elektroretinogramów z jednym rodzajem elektrody, zmniejszonymi amplitudami i stabilnością sygnału oraz nadmiernym okiem ruch. Niedawno naukowcy z Uniwersytetu Pekińskiego w Pekinie zademonstrowali miękkie, przezroczyste elektrodowe soczewki kontaktowe GRAphene (GRACE) do rejestrowania sygnału elektrorektinograficznego w pełnej postaci rogówki u królików i małp cynomolgus, pokazując, że ich miękkie elektrody kontaktowe do soczewek kontaktują się z tymi ograniczeniami.

Profesor Xiaojie Duan omówiła artykuł, który ona, absolwenci i główni autorzy Rongkang Yin i Zheng Xu, oraz ich współautorzy opublikowali w Nature Communications. Największym wyzwaniem w produkcji miękkich elektrod do soczewek kontaktowych z przezroczystością optyczną o szerokim spektrum działania, powiedział dr. Duan Phys.org, było wytwarzanie bez zmarszczek elektrod soczewek kontaktowych, wyjaśniając, że zmarszczki mogą powodować niejednorodność optyczną elektrody, wpływając w ten sposób na załamanie oka i dokładność bodźca świetlnego na siatkówce. "To z kolei podcina skuteczność diagnozy retinopatii" - dodaje dr Duan. "Grafen uzyskany z konwencjonalnej metody wzrostu jest płaską warstwą, a zmarszczki powstają w sposób nieunikniony po przeniesieniu płaskiej warstwy grafenowej na zakrzywioną powierzchnię, Aby elektroda do soczewek kontaktowych z grafenem miała wysoką przewodność elektryczną i jednorodność optyczną na całej elektrodzie, ważne jest, aby bezpośrednio użyć zakrzywiona folia grafenowa o jednolitej grubości. "

Zastosowanie GRACE do zapisu elektroretinograficznego w pełnej rogówce nie stanowi większych przeszkód, kontynuowała. "Podczas gdy nie ma podstawowej trudności w stosowaniu GRACE do zapisu elektroretinograficznego w pełnej i rogowej części oka, o ile wytworzone GRACE mają rozsądną impedancję i przejrzystość optyczną, zawsze możemy rejestrować wysokiej jakości sygnały ffERG i mfERG, dlatego też, aby uzyskać GRACES z rozsądną impedancją i przezroczystości optycznej, folii grafenowej z oporem arkusza "- miara odporności cienkich warstw, które są nominalnie jednorodne pod względem grubości -" poniżej 2000 Ω / sq i przezroczystość optyczna powyżej 70% będzie wystarczająco dobra. "

Jednak głównym wyzwaniem dla ogólnego zapisu ERG jest pomiar wieloogniskowej ERG (mfERG), która jednocześnie mierzy lokalne reakcje siatkówki z maksymalnie 250 lokalizacji siatkówki w centralnym 30-stopniowym odwzorowaniu topograficznie - odzwierciedla reakcję siatkówki na stymulację na określonym małym obszarze siatkówki. "W przypadku wieloogniskowych pomiarów ERG" - powiedział dr Duan dla Phys.org - "na siatkówkę rzutowany jest wzorzec stymulacji światłem, dlatego ważne jest, aby oko miało prawidłowe załamanie światła, aby można było wyraźnie rzucać wzorzec bodźca". Ponadto amplituda sygnału wieloogniskowego ERG wynosi tylko około 1/1000-tego, co w przypadku konwencjonalnego pełnośrednicowego ERG (ffERG, który mierzy ERG przy całej stymulacji siatkówki za pomocą źródła światła pod kątem skotopowym (dostosowanym do ciemności) lub fotopowym (dostosowanym do światła) adaptacja siatkówki), podczas gdy mfERG wymaga względnie dłuższego okresu nagrywania - co sprawia, że ​​wrażliwość, komfort i stabilne połączenie z okiem są bardzo istotne dla wieloogniskowego zapisu ERG. "Konwencjonalne elektrody soczewek kontaktowych mają tendencję do zmiany refrakcji oka", zauważyła, "co sprawia, że ​​nie nadają się do wieloogniskowego zapisu ERG". To powiedziawszy, inne elektrody (na przykład elektrody DTL), nie zmieniają refrakcji oka, ale cierpią z powodu niskiej czułości pomiaru i stabilności sygnału.

Inną kwestią, którą zauważył dr. Duan, jest to, że przestrzenne rozmieszczenie potencjału ERG w rogówce jest od dawna problemem. "Konwencjonalne elektrody wykorzystują nieprzezroczysty metal jako elementy rejestrujące, które mogą być zlokalizowane tylko na obrzeżach rogówki, aby uniknąć blokowania widzenia - sytuacja, która zapobiega przestrzennie rozległemu zapisowi ERG w wielu ośrodkach, co jest konieczne do ujawnienia rozkładu potencjału ERG Innym czynnikiem jest to, że w przypadku konwencjonalnej sztywnej elektrody zawsze pomiędzy warstwami elektrody i rogówki znajduje się gruby film łzowy, który może przeciekać różnicę potencjałów między różnymi miejscami na rogówce. " Ta ostatnia kwestia wprowadza kolejne istotne wyzwanie w wyjaśnieniu rozmieszczenia przestrzennego ERG na rogówce.

Dr Duan opisał kluczowe spostrzeżenia, innowacje i techniki, które wykorzystali, aby sprostać tym wyzwaniom. "Jak wspomniałem, eliminujemy zmarszczki za pomocą zakrzywionej folii grafenowej wyhodowanej bezpośrednio na zakrzywionej kwarcowej formie - a kształt i krzywiznę folii można łatwo dostroić zmieniając te z kwarcowych form." Kluczową kwestią, podkreśla, jest jednorodna grubość wygiętej folii grafenowej prowadzi do wynikowych GRACE o jednolitym przewodnictwie elektrycznym i przezroczystości optycznej na całej elektrodzie soczewek kontaktowych, co jest unikalne w odniesieniu do GRACE w porównaniu do poprzednio zgłoszonych grafenów. na bazie urządzeń do oko. "Ponadto, " dodała, "stworzyliśmy i zoptymalizowaliśmy przepływ produkcji elektrod." Podkreśla, że ​​poprzez bezpośrednie nakładanie ultracienkiej folii izolacyjnej (Parylen-C, która tworzy substrat GRACE) na kompleks grafen / kwarc, a następnie trawienie formy kwarcowej, urządzenia GRACE można łatwo wyprodukować. "Kluczowym wyjściem jest to, że ta strategia wytwarzania unika poli (metakrylanu metylu) (PMMA) - przezroczystego termoplastu (zwanego również szkłem akrylowym lub akrylowym) powszechnie stosowanym do transferu grafenu, który nie tylko zapobiega możliwemu zanieczyszczeniu PMMA, które może powodować niejednorodność optyczną, ale także zachowuje integralność folii grafenowych- czynnik krytyczny dla utrzymania przewodności elektrycznej GRACE.

Jak wcześniej wspomniano, wyzwaniem jest rejestrowanie wieloogniskowych sygnałów ERG za pomocą elektrod soczewek kontaktowych, ponieważ ma to skłonność do zmiany refrakcji oka. "Aby rozwiązać ten problem, " wyjaśnił dr Duan, "zaprojektowaliśmy GRACE, aby był miękki i dopasowujący się do powierzchni rogówki dzięki szczelnemu interfejsowi GRACE / rogówka". Pozwala to uniknąć tworzenia się grubych szczelin lub szczelin powietrznych pomiędzy elektrodą a rogówką - głównym źródłem zmiany refrakcji podczas noszenia twardych elektrod soczewek kontaktowych. Jak pokazano w ich artykule, GRACE może z powodzeniem rejestrować wysokiej jakości wieloogniskowe sygnały ERG, co wskazuje na zalety GRACEs na twardych elektrodach kontaktowych.

Aby zapewnić wydajne wielostronne, przestrzennie rozdzielone zapisy ERG, naukowcy zaprojektowali i rozmieścili miękki, przezroczysty zestaw elektrod wieloelektrodowych. "Ścisły kontakt miękkiej elektrody z rogówką zapobiegał przesuwaniu się filmu łzowego" - wyjaśniła - "a wysoka przezroczystość optyczna umożliwia umieszczenie matrycy elektrod o dużej gęstości na całej powierzchni rogówki bez blokowania widzenia lub wpływania na jednorodność bodźca świetlnego." W rezultacie zaobserwowali silniejszy sygnał na rogówce środkowej niż na obwodzie, co świadczy o zaletach miękkich przezroczystych elektrod grafenowych w zapisach ERG.

Co do implikacji ich odkryć dotyczących GRACE do badań elektrofizjologicznych in vivo, dr Duan powtórzył, że ich elektrody na soczewki kontaktowe oparte na grafenie wykazują zdolność do rejestrowania o wysokiej skuteczności różnych rodzajów zapisu ERG, w tym ffERG, mfERG i meERG (wieloelektrodowa ERG, która mapuje przestrzenne różnice w aktywności siatkówki przy użyciu konwencjonalnego bodźca pełnego pola i zestawu elektrod na rogówce) - elastyczność nieosiągalna przez konwencjonalne elektrody ERG. "Dzięki dalszym testom i rozwojowi" - podkreśliła - "może zastąpić tradycyjne elektrody i być stosowana w praktyce klinicznej, a ponadto, ponieważ zmiany siatkówki mogą powodować zmianę lokalnych potencjałów rogówki, wieloelektrodowe rejestrowanie ERG z użyciem mikroelektrody grafenowej tablica wykazana w niniejszym dokumencie zapewnia potencjalną funkcjonalną technikę obrazowania elektrofizjologicznego siatkówki, która może być wykorzystana jako narzędzie diagnostyczne do wykrywania lokalnych obszarów dysfunkcji siatkówki pod wpływem pojedynczego bodźca pełnego pola. "

Idąc naprzód, dr Duan zidentyfikował trzy planowane kolejne etapy badań naukowców, a mianowicie:

  • Poprawa przepuszczalności gazu przez elektrodę, aby była bardziej odpowiednia do długotrwałego noszenia
  • Przygotuj dwuwymiarowy, miękki, przezroczysty układ elektrod o dużej gęstości do odwzorowania potencjału ERG na całej powierzchni rogówki
  • Zastosuj miękką, przezroczystą macierz mikroelektrodową do zapisu in vivo aktywności elektrycznej komórek zwojowych siatkówki na poziomie pojedynczej komórki

Omówiła także badania i inne innowacje, które mogłyby rozważyć opracowanie. "Opierając się na nanomateriałach i nanotechnologii, staramy się opracować techniki, które mogą rejestrować lub modulować czynności neuronalne w dużej skali z wysoką rozdzielczością czasoprzestrzenną i długoterminową stabilnością oraz badać zastosowanie tych technik w zrozumieniu podstawowych i patologicznych procesów mózgu. "

Kończąc, dr Duan wymienił inne dziedziny badań, które mogą skorzystać z ich badań. "Miękkie elektrody przezroczyste umożliwiają równoczesną elektrofizjologię i optyczne obrazowanie neuronowe lub stymulację, co jest ważne dla badania łączności i funkcji obwodów neuronowych. Tradycyjne neuronowe macierze elektrod powierzchniowych wykorzystujące nieprzezroczyste metalowe przewodniki nie są odpowiednie do stosowania w jednoczesnym elektrycznym i optycznym połączeniu nerwowym, ponieważ blokują pole widzenia i są podatne na wytwarzanie artefaktów wywołanych światłem w nagraniach elektrycznych Opisywana tutaj matryca mikroelektrodowa z miękkim przezroczystym grafenem może być wykorzystywana w badaniach łączących optyczne i elektryczne modalności w interfejsie neuronowym. "

menu
menu