Flexible epiretinal implant strategies for artificial vision: from foldable design to active stimulation arrays

Ghosh, Eashika; Seidl, Karsten; Ingebrandt, Sven

doi:HT031656121

Flexible epiretinal implant strategies for artificial vision: from foldable design to active stimulation arrays = Flexible epiretinale Implantatstrategien für künstliches Sehen: vom faltbaren Design zu aktiven Stimulationsarrays

Ghosh, Eashika^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eashika Ghosh, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Ingebrandt, Sven (Thesis advisor)^RWTH* ; Seidl, Karsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-08603
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1041409/files/1041409.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Mikro- und Nanosysteme und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (612510)

Projekte

GRK 2610 - GRK 2610 Innovative Schnittstellen zur Retina für optimiertes künstliches Sehen - InnoRetVision (424556709) (424556709)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
artificial vision (frei) ; epiretinal implant (frei) ; flexible electronics (frei) ; microelectrode array (frei) ; retinal prosthesis (frei) ; retinitis pigmentosa (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Motivation, Ziel und Aufgabe der Dissertation: Retinitis pigmentosa (RP) ist eine fortschreitende erbliche Netzhauterkrankung, von der weltweit mehr als 1,5 Millionen Menschen betroffen sind. RP ist durch eine Degeneration der Lichtsinneszellen, der Stäbchen- und Zapfen der Netzhaut (engl. Retina), gekennzeichnet und führt letztendlich zum vollständigen Verlust des Sehvermögens. Diese Degeneration hat auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Lebensqualität der Patienten und führt häufig zu psychischen Belastungen und sozialen Einschränkungen. Trotz umfangreicher Forschungen in den Bereichen Gentechnik und Stammzelltherapien gibt es keine Heilung für die späten Stadien der RP. Klinische Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass zwar die Lichtsinneszellen degenerieren, aber etwa 30 % der retinalen Ganglienzellen (RGCs) funktionsfähig bleiben. Diese Entdeckung hat zur Entwicklung von Prothesensystemen geführt, die die beschädigten Lichtsinneszellen umgehen und die verbleibenden Nervenzellen der Netzhaut direkt stimulieren. Epiretinale Prothesen, Implantate, die von der Innenseite der Netzhaut aus eine neuronale Schnittstelle bilden, haben sich als vielversprechender Ansatz zur Wiederherstellung der Sehfunktion erwiesen. Im Vergleich zu subretinalen oder kortikalen Prothesen sind epiretinale Implantsysteme chirurgisch einfacher zu implantieren und zielen auf den letzten gemeinsamen Weg der visuellen Verarbeitung ab. Bestehende, teilweise kommerzielle Lösungen wie Argus II, VLARS und POLYRETINA bieten jedoch nur eine begrenzte räumliche Auflösung, ein enges Sichtfeld, ein unflexibles mechanisches Design und eine komplexe chirurgische Handhabung bei der Operation. Diese Einschränkungen stellen sowohl die klinische Skalierbarkeit als auch die Benutzerfreundlichkeit für Patienten vor erhebliche Herausforderungen. Diese Dissertation ebnet den Weg für einen neuartigen Ansatz: das DEARS-Implantat (Dense Electrode Array for Retinal Stimulation), eine faltbare, hochdichte epiretinale Prothese, die mechanische Flexibilität mit skalierbarer Elektronik kombiniert. Ziel ist es, die Mängel aktueller Implantsysteme zu beheben, indem ein Implantat entwickelt wird, das während der Operation kompakt zusammengefaltet werden kann, sich danach im Auge selbst entfaltet und eine gezielte, hochauflösende Stimulation über einen großen Bereich der Netzhaut liefert. Wichtigste wissenschaftliche Beiträge DEARS hat eine faltbare, von der japanischen Faltkunst Origami inspirierte Geometrie, die es ermöglicht, das Implantat durch einen 2,5–3 mm großen Schnitt in der Sklera in das Auge einzuführen und es sich dann in der Glaskörperhöhle entfalten zu lassen, um die Netzhaut mit einer großen Oberfläche zu bedecken. Dieser neuartige Ansatz reduziert das chirurgische Trauma erheblich und macht eine mechanische Fixierung überflüssig, wodurch eine zentrale Einschränkung bestehender Prothesensysteme beseitigt würde. Die Implantatarchitektur besteht aus sechs peripheren Flügeln und einem zentralen Fovea-Bereich, der auf 480 kreisförmige Goldmikroelektroden (~40 µm Durchmesser, ~200 µm Abstand) verteilt ist, die in einem hexagonalen Raster angeordnet sind, um die räumliche Auflösung und die Packungsdichte zu maximieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst noch nicht funktionsfähige Teststrukturen auf einem 6 µm dicken Polyimid (PI-2611)-Substrat hergestellt, das aufgrund seiner außergewöhnlichen Biokompatibilität, Transparenz und mechanischen Belastbarkeit ausgewählt wurde. Der dünne Mehrschichtstapel, bestehend aus nicht-kontaktierten Goldelektroden, die zwischen zwei PI-Schichten eingebettet sind, wurde durch iterative Prototypenentwicklung optimiert. Parylene C wurde zwar zunächst als alternatives Material in Betracht gezogen, aber aufgrund seiner schlechten mechanischen Stabilität in Flüssigkeiten und seiner unzureichenden intraokularen Sichtbarkeit verworfen. Die PI-Teststrukturen boten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Steifigkeit und Flexibilität, was eine Faltmechanik und eine gute Anpassung an die Netzhaut nach dem Einsetzen ermöglichte. Die Herstellung der Test-Implantate erfolgte mittels fotolithografischer Strukturierung, Galvanisierung (~3 µm Gold) sowie Nass- und reaktiver Ionenätzung (RIE) für eine präzise Elektroden- und Strukturdefinition. Öffnungen für die Stimulationselektroden wurden in der oberen PI-Passivierungsschicht erstellt, und die gesamte Struktur wurde mithilfe einer metallischen Opferschicht vom Substrat gelöst. Eine verstärkte PI-Rückseite mit lasergeschnittener Geometrie gewährleistete eine nahtlose Verbindung mit externen Verstärkern und Analysesystemen über einen Steckverbinder ohne Einsteckkraft (ZIF). Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) wurden die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode bewertet. Die Messungen nach dem Falten der Implantatstruktur ergaben eine vernachlässigbare Verschlechterung der Impedanz (~13 % Abweichung) und der Phasenantwort (~0,75° Verschiebung), was eine strukturelle und elektrische Robustheit nach mechanischer Manipulation bestätigte. Darüber hinaus zeigten in vitro Rauschmessungen in einfach phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) geringe Basislinienfluktuationen im Bereich von ±50 µV.Es wurden parallel zu diesen Experimenten auch Computersimulationen mit der Pulse2Percept-Umgebung durchgeführt und eine auf einem Convolutional Neural Network (CNN) basierende Klassifizierung verwendet, um die visuelle Wirksamkeit des geplanten Implantats zu bewerten. In der Simulation erzielte DEARS eine Genauigkeit von 94,81 % bei der Buchstabenerkennung und 100 % bei Braille-Stimulationsaufgaben und übertraf damit die alternativen Implantate Argus II (58,08 %) und VLARS (74,23 %). Der potentielle Sichtwinkel des Implantats von ~30° würde ebenfalls eine erhebliche Verbesserung des Sichtfeldes darstellen und bestätigt damit die Eignung des Designs für eine sinnvolle Implantatstruktur. Die chirurgische Validierung der Implantierbarkeit der DEARS Teststrukturen wurde sowohl an lebenden als auch an Kadaver-Kaninchenaugen durchgeführt. Das Implantat wurde unter Verwendung standardmäßiger chirurgischer Verfahren erfolgreich eingesetzt. In den Kadaver-Versuchen passte sich das Implantat der Netzhautoberfläche an, ohne dass Anzeichen von Traumata oder Blutungen auftraten. Obwohl das Strukturdesign von DEARS ein großes Sichtfeld bietet, sind für eine höhere räumliche Auflösung mehr als 1000 funktionsfähige Elektroden erforderlich. Um in Zukunft ein Konzept für ein System mit mehr als 1000 Elektroden zu entwickeln, das die Komplexität herkömmlicher Verdrahtungen vermeidet, wurde eine 32×32 aktive SOI-basierte Transistormatrix als Testchip entwickelt, der 1024 Stimulationselektroden bietet. Die Transistoren zeichnen sich durch Open-Drain-Konfigurationen mit Schwellenspannungen zwischen –1,2 V und –1,5 V, geringen Leckströmen und einem sehr guten Strom-Spannungs-Verhalten in allen Betriebsbereichen aus. Diese aktiven Elemente könnten als Grundlage für die zukünftige Adressierung auf Pixelebene und die Stimulationsintegration in flexiblen Implantaten dienen, wobei eine Architektur mit 1024 Stimulationsstellen und reduzierter Verdrahtungskomplexität angestrebt wird. Diese Dissertation leistet einen umfassenden Beitrag zur retinalen Neuroprothetik, indem sie ein theoretisches Konzept für ein faltbares Implantat vorschlägt und validiert. In Bezug auf das Design, das Implantatkonzept und die potenzielle Multiplex-Adressierung von >1000 Elektroden wurden erste Tests durchgeführt und mögliche technische Lösungen validiert. Eine erfolgreiche Implementierung von DEARS würde in Zukunft langjährige Hindernisse bei der chirurgischen Handhabung, der Skalierbarkeit der Elektroden und der Konformität der Implantatsysteme durch die einzigartige Kombination aus Origami-inspirierter Geometrie, skalierbarer Elektrodendichte und validierter mikroelektronischer Kontaktierung beseitigen. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die monolithische Integration der SOI-basierten Matrix mit dem flexiblen Polyimidsubstrat, chronische in vivo Studien und die Vorbereitung für translationale Studien konzentrieren. DEARS würde eine robuste Grundlage für eine neue Klasse von Netzhautimplantaten schaffen und möglicherweise einen großen Schritt vom reinen Proof-of-Concept zu einer substanziellen klinischen Lösung vollziehen können.

Motivation, Goal and Task of the Dissertation: Retinitis pigmentosa (RP) is a progressive hereditary retinal disease that affects more than 1.5 million individuals globally. Characterized by the degeneration of rod and cone photoreceptors, RP ultimately leads to complete vision loss. This degeneration also profoundly impacts patients' quality of life, frequently causing psychological distress and social limitations. Despite extensive research in genetic engineering and stem cell therapy, no cure exists for the late stages of RP. However, clinical observations have shown that while photoreceptors deteriorate, approximately 30% of retinal ganglion cells (RGCs) remain viable. This discovery has inspired the development of prosthetic systems that bypass the damaged photoreceptors and directly stimulate these remaining neurons. Epiretinal prostheses, implants that interface with the retina from the inner surface, have emerged as a promising approach to restore functional vision. Compared to subretinal or cortical prosthetics, epiretinal devices are easier to implant surgically and target the final common pathway of visual processing. However, existing solutions such as Argus II, VLARS, and POLYRETINA suffer from limited spatial resolution, narrow field of view, inflexible mechanical design, and complex surgical handling. These limitations present significant challenges to both clinical scalability and patient usability. This dissertation paves the way to a novel solution: the DEARS (Dense Electrode Array for Retinal Stimulation) implant, a foldable, high-density, epiretinal prosthesis that combines mechanical flexibility with scalable electronics. The aim is to address the shortcomings of current devices by designing an implant that is compact during insertion, self-deploying inside the eye, and capable of delivering targeted, high-resolution stimulation across a wide retinal area. Major Scientific Contributions DEARS has a foldable, origami-inspired geometry that allows the implant to be introduced through a 2.5–3 mm scleral incision and then unfold within the vitreous cavity to cover the epiretinal surface. This approach significantly reduces surgical trauma and obviates the need for mechanical fixation, thereby addressing a core limitation of existing prosthetic systems. The implant architecture comprises six peripheral wings and a central foveal region, aiming towards to 480 circular gold microelectrodes (~40 µm diameter, ~200 µm pitch) distributed across a hexagonal grid layout, maximizing spatial resolution and packing efficiency. Within this thesis, first not yet functional test structures were fabricated on a six µm-thick polyimide (PI-2611) substrate, selected for its exceptional biocompatibility, transparency, and mechanical resilience. The thin-film multilayer stack, comprising test gold electrodes embedded between two PI layers, was optimized through iterative prototyping. Parylene C, while initially considered, was discarded due to poor mechanical stability in fluid and inadequate intraocular visibility. The PI test structures offered a balanced stiffness-to-flexibility ratio, enabling folding mechanics and close retinal conformity post-deployment. The implant's fabrication utilized photolithographic patterning, electroplating (~3 µm gold), and wet and reactive ion etching (RIE) for precise electrode and structural definition, respectively. Openings for stimulation sites were created in the top PI passivation layer, and the entire structure was released from the substrate using a sacrificial metal stack. A reinforced polyimide backing with laser-cut geometry ensured seamless interfacing with external recording equipment via a zero-insertion-force (ZIF) connector. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) evaluated the electrode`s electrochemical performance. The post-folding measurements revealed negligible degradation in impedance (~13% variation) and phase response (~0.75° shift), confirming structural and electrical stability after mechanical manipulation. In addition, in vitro noise measurements in 1× phosphate buffer saline (PBS) solution demonstrated low baseline fluctuations within ±50 µV. Computational simulations were conducted using the Pulse2Percept framework and a convolutional neural network (CNN) based classification was used to assess visual efficacy of the planned implant. In the simulation, DEARS achieved 94.81% accuracy in letter recognition and 100% in Braille stimulation tasks, outperforming Argus II (58.08%) and VLARS (74.23%). The implant's visual angle of ~30° also marked a substantial improvement in the field of view, further validating the design for meaningful perceptual resolution. Surgical validation was carried out in both live and cadaveric eyes of rabbit. The implant was successfully inserted using standard surgical procedures. In cadaveric trials, the implant conformed to the retinal surface with no signs of trauma or hemorrhage. Although, the structure design of DEARS would provides a high field of view, more than 1000 functional electrodes are required for higher spatial resolution. Therefore, to establish a concept for a>1000 electrode system avoiding conventional wiring complexities, the 32×32 active SOI-based transistor matrix was developed a test chip to offer 1024 stimulation electrodes. The transistors featured open-drain configurations with threshold voltages between –1.2 V and –1.5 V, low leakage currents, and clear current-voltage behavior across all operating regions. These active elements might act as the foundation for future pixel-level addressing and stimulation integration in flexible implants, targeting an architecture with 1024 stimulation sites and reduced wiring complexity. This dissertation delivers a comprehensive contribution to retinal neuroprosthetics by proposing and validating a theoretical foldable implant concept. In terms of design, implant concept and potential multiplex addressing of > 1000 electrodes, first testes were done and possible technical solutions validated. A successful implementation of DEARS in future would address longstanding barriers in surgical handling, electrode scalability, and device conformity through its unique combination of origami-inspired geometry, scalable electrode density, and validated electronic performance. Future work will focus on the monolithic integration of the SOI-based matrix with the flexible polyimide substrate, chronic in vivo studies, and preparation for translational trials. DEARS would provide a robust foundation for a novel class of retinal implants, advancing from mere proof-of-concept to achieving substantive clinical impact.

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