guest ::
Development, characterization, and application of intraretinal implants = Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von intraretinalen Implantaten
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-02-09
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-06382
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/821875/files/821875.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bidirectional communication (frei) ; intraretinal implants (frei) ; neural implants (frei) ; neuroelectronics (frei) ; retinal implants (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Mit dem letztendlichen Ziel der Wiederherstellung des Sehvermögens bei blinden Patienten sind Sehprothesen entwickelt worden, um eine Schnittstelle zur elektrischen Aktivität verschiedener neuronaler Strukturen entlang der Sehbahn zu bilden und diese Strukturen zu modulieren, allen voran die Sehrinde, den Sehnerv und die Netzhaut. Solche Sehprothesen zur elektrischen Stimulation der Netzhaut wurden eingesetzt, um blinde Patienten mit degenerativen Netzhauterkrankungen wie der altersbedingten Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa, die die weltweit dritthäufigste Ursache für Blindheit darstellen, zu behandeln. In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung im Bereich von Retinaimplantaten mit kommerzieller Zulassung und solchen mit Einsatz in klinischen Studien bedeutende Fortschritte in Richtung der Wiederherstellung nützlichen Sehvermögens gemacht. Nichtsdestotrotz mahnt der kürzliche Rückzug aktueller Retinaimplantate vom Markt die wissenschaftliche Gemeinschaft, zusammen die Bemühungen zur Verbesserung der Technologie und damit der Effizienz solcher Implantate zu verstärken, um weitere Schritte zur Wiederherstellung des Sehvermögens zu unternehmen. Zum Zwecke einer neuen Generation von Retinaimplantaten hat das BiMEA-Konsortium die Entwicklung eines bidirektionalen Mikroelektroden-Arrays (BiMEAs) vorgeschlagen, um eine bidirektionale Kommunikation mit der Netzhaut zu ermöglichen. Dazu wurden penetrierende neuronale Sonden vorgeschlagen, um den Zugang zum intraretinalen Raum zu ermöglichen und gleichzeitig die elektrische Aktivität der Netzhaut zu modulieren und abzuleiten. Zur Weiterentwicklung der BiMEA-Strategie befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und In-vitro-Validierung von BiMEA-Sonden und legt damit den Grundstein für die zukünftige Entwicklung von neuartigen intraretinalen Implantaten. Zu diesem Zweck wurde das BiMEA-Konzept zunächst an gesunden und degenerierten explantierten Mäusenetzhäuten unter Verwendung von Sonden auf Siliziumbasis validiert. Damit wurde die Machbarkeit einer bidirektionalen Kommunikation zwischen der Netzhaut und einer potentiellen Sehprothese demonstriert. Auf diese Weise wurde die Stimulation der inneren Netzhaut mit sicheren elektrischen Stimuli bei gleichzeitiger Ableitung der neuronalen Aktivität von den Output-Neuronen der Netzhaut, den Ganglienzellen, erreicht. Darüber hinaus wurden intraretinale Vorrichtungen aus flexiblen Materialien entwickelt und optimiert, bei denen die Sonden besser an die Anatomie und die mechanischen Eigenschaften der Netzhaut angepasst sind und gleichzeitig die Insertionsanforderungen solcher Vorrichtungen erfüllen. So wurden flexible intraretinale Sonden mit 7 μm breiten und 145 μm langen miniaturisierten Schäften erfolgreich in die dünne Netzhaut eingeführt. Als Ergebnis wurden die lokalen Feldpotentiale und die Aktionspotentiale sowohl gesunder als auch degenerierter Netzhäute abgeleitet. Ferner wurden elektrisch evozierte Potentiale nach Anwendung von Ladungsdichten von nur 81,5 μC/cm2 erfasst. Darüber hinaus wurde eine systematische Studie zur Validierung der akuten Leistung sowohl von Silizium- als auch von flexiblen BiMEAs durchgeführt. Diese ergab, dass flexible penetrierende Sonden auf der Basis von Parylene-C mit einer Schaftbreite von nur 50 μm die akute Einführungsfläche von BiMEA-Sonden verringerten und Läsionen mit einem Durchmesser von fast bis zum 2,5fachen des Sondenquerschnitts induzierten. Des Weiteren ermöglichten sie Ableitungen mit einem maximalen Signal-Rausch-Verhältnis von 12,37 und einer Insertionserfolgsrate von 93%. Somit ebnet die Entwicklung intraretinaler Sonden den Weg für geschlossene Rückkopplungsschleifen und bietet die Möglichkeit, die elektrische Aktivität der Netzhaut und den Erfolg der Stimulation in situ zu verfolgen und zu bestätigen, während die Stimuli entsprechend angepasst werden können. Ferner zeigten flexible BiMEA-Sonden das Potenzial für die Entwicklung von intraretinalen Implantaten für zukünftige In-vivo-Anwendungen.With the ultimate goal to restore vision in blind patients, visual prostheses have been developed to interface and modulate the electrical activity of different neuronal structures along the visual pathway, targeting mainly the visual cortex, the optic nerve, and the retina. Thus, prosthetic devices that stimulate electrically the retina have been employed to treat blind patients with retinaldegenerative diseases such as age-related macular degeneration and retinitis pigmentosa, which comprise the third leading cause of blindness worldwide. In the last decades, the development of retinal implants with commercial approval and those used in clinical trials has shown meaningful progress towards the restoration of useful vision. Nonetheless, the recent withdrawal of current retinal implants from the market exhorts the scientific community to join and enhance efforts to improve the technology and the efficiency of such devices to achieve further steps in the restoration of vision. Aiming at a new generation of retinal implants, the BiMEA consortium has proposed the development of a bidirectional microelectrode array (BiMEA) to enable a bidirectional communication with the retina. To this end, penetrating neural probes were proposed to allow access to the intraretinal space and to modulate and record simultaneously the electrical activity of the retina. To further develop the BiMEA strategy, this work exposes the development and in vitro validation of BiMEA probes, setting in turn the groundwork for the future development of novel intraretinal implants. First, the BiMEA concept was validated in healthy and degenerated ex-planted mouse retinas using silicon-based devices, thereby demonstrating the feasibility of a bidirectional communication between the retina and a prosthetic device. Thus, the stimulation of the inner retina with safe electrical stimuli while recording the neuronal activity of the output neurons of the retina, the ganglion cells, was achieved. Going a step further, intraretinal devices based on flexible materials were developed and optimized to better match the anatomy and the mechanical properties of the retina while fulfilling the insertion requirements of such devices. Hence, flexible intraretinal probes with miniaturized shanks 7 μm thick and 145 μm long were successfully inserted into the thin retina. As a result, local field potentials and the spiking activity of both, healthy and degenerated retinas, were recorded. Moreover, electrically evoked potentials were captured after applying charge densities as low as 81.5 μC/cm2.Furthermore, a systematic study to validate the acute performance of both silicon and flexible BiMEAs was conducted. This study revealed that flexible penetrating probes based on parylene-C with a shank width as narrow as 50 μm diminished the acute insertion footprint of intraretinal probes, inducing lesions nearly 2.5 times the cross-section of the probe. Moreover, electrical recordings had a maximum signal-to-noise ratio of 12.37 and a success rate of insertion of 93%. Consequently, the development of intraretinal devices open the door for closed loop feedback systems, offering the possibility to track and acknowledge in situ the electrical activity of the retina and the success of the stimulation while adjusting accordingly the stimuli. Even more, aiming future in vivo applications, flexible BiMEA probes showed the potential for the development of intraretinal implants.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020989766
Interne Identnummern
RWTH-2021-06382
Datensatz-ID: 821875
Beteiligte Länder
Germany
; 
|
The record appears in these collections: |