Graphene field-effect transistors as flexible neural interfaces for intracortical electrophysiology

Abstract

En els últims anys s’han produït desenvolupaments tecnològics innovadors en el camp dels implants neuronals per a aplicacions mèdiques. La comprensió de el cervell humà es considera com un dels majors reptes científics del nostre temps; com a conseqüència, estem sent testimonis d’una intensificació de la investigació en el desenvolupament de les interfícies cervell-màquina (IMC) per llegir i estimular l’activitat cerebral. No obstant això, els implants neuronals actualment disponibles ofereixen una eficàcia clínica modesta, en part a causa de les limitacions que plantegen la invasivitat dels materials. Aquests materials comprometen la resolució de la interfície, el rendiment i l’estabilitat a llarg termini dels implants. El desenvolupament d’una electrònica flexible que utilitzi materials biocompatibles és clau per al desenvolupament d’implants neuronals mínimament invasius, que puguin implantar-se de forma crònica. Un camp d’investigació molt prometedor, és l’ús de materials bidimensionals, com el grafè, per a aplicacions bioelectròniques. El transistor d’efecte de camp en solució de grafè (gSGFET) és una de d’aquestes noves tecnologies neuronals emergents. Aquests dispositius poden superar les limitacions esmentades anteriorment gràcies a les extraordinàries propietats del grafè, com ara la seva alta flexibilitat mecànica, estabilitat electroquímica, biocompatibilitat i alta sensibilitat. En aquesta tesi doctoral, s’han fabricat matrius de gSGFET i s’han optimitzat iterativament en termes de sensibilitat i relació senyal / soroll, adoptant mètodes de microfabricació a escala d’oblia. S’ha caracteritzat el soroll 1 / f en els gSGFETs i s’ha optimitzat amb un tractament UVO de la interfície metall / grafè i desacoblant el grafè del substrat utilitzant diferents nanomaterials com ara l’encapsulació del grafè amb nitrur de bor hexagonal (hBN), monocapes autoacoblades i grafè bicapa. A més, s’han fabricat amb èxit sondes neuronals epicorticals i intracorticals flexibles, que contenien matrius de gSGFET, i s’han fet enregistraments de microelectrocorticografia in vivo en rosegadors. S’han inserit dispositius intracorticals flexibles en el cervell utilitzant un protocol de reforç de la capa posterior del dispositiu amb proteïna de fibroïna de seda biorresistent. Els resultats presentats en aquesta tesi demostren la superior resolució espai-temporal dels gSGFET en comparació amb la tecnologia estàndard de microelèctrodes; en particular, la capacitat de mapejar amb alta fidelitat, l’activitat de molt baixa freqüència (ISA, <0,1 Hz) juntament amb els senyals en el típic ample de banda dels LFP. Avui dia se sap que l’activitat cerebral de molt baixa freqüència, contribueix a la fisiopatologia de diversos trastorns neurològics com el vessament cerebral, la lesió cerebral traumàtica, la migranya i l’epilèpsia. No obstant això, aquesta activitat rares vegades es registra a causa de les limitacions tècniques intrínseques dels elèctrodes convencionals acoblats a la CA. S’han obtingut mesures neuronals amb sondes de profunditat flexibles i multicanal de grafè (gDNP) en models animals desperts amb convulsions i epilèpsia. S’ha detectat i cartografiat l’AIS a través de diferents capes corticals i regions subcorticals, registrant simultàniament l’activitat epilèptica en bandes de freqüència més convencionals (1-600Hz). A més, com a part d’aquesta tesi s’ha demostrat també l’estabilitat i funcionalitat de registres a llarg termini, així com la biocompatibilitat dels gDNPs. La tecnologia bioelectrònica basada en grafè aquí descrita té el potencial d’esdevenir una eina de referència per a l’electrofisiologia d’ample de banda complet. Es preveu que aquesta tecnologia tingui un gran impacte en una comunitat àmplia i multidisciplinària que inclogui investigadors en neurotecnologia, enginyers biomèdics, neurocientífics que estudien la dinàmica cortical de banda ampla associada amb el comportament espontani i /o els estats cerebrals, així com investigadors clínics interessats en el paper de l’activitat de molt baixa freqüència en epilèpsia, els accidents cerebrovasculars i la migranya.

En los últimos años se han producido nuevos desarrollos tecnológicos en el campo de los implantes neuronales para aplicaciones médicas. La comprensión del cerebro humano se considera uno de los mayores desafíos científicos de nuestro tiempo; como consecuencia, estamos siendo testigos de una intensificación de la investigación en el desarrollo de las interfaces cerebro-máquina (IMC) para leer y estimular la actividad cerebral. No obstante, los implantes neuronales actualmente disponibles ofrecen una eficacia clínica modesta, en parte debido a las limitaciones que plantea la invasividad de los materiales. Esos materiales comprometen la resolución de la interfaz, el rendimiento y la estabilidad a largo plazo de los implantes neurales. El desarrollo de una electrónica flexible que utilice materiales biocompatibles es clave para la realización de implantes neuronales mínimamente invasivos que puedan implantarse de forma crónica.

Un campo de investigación muy prometedor es el uso de materiales bidimensionales, como el grafeno, para aplicaciones bioelectrónicas. El transistor de efecto de campo en solución de grafeno (gSGFET) es una de dichas nuevas tecnologías neurales emergentes. Estos dispositivos pueden superar las limitaciones mencionadas anteriormente gracias a las extraordinarias propiedades del grafeno, como su alta flexibilidad mecánica, estabilidad electroquímica, biocompatibilidad y sensibilidad.

En esta tesis doctoral, se han fabricado matrices de gSGFET y se han optimizado iterativamente en términos de sensibilidad y relación señal/ruido, adoptando métodos de microfabricación a escala de oblea. Se ha caracterizado el ruido 1/f en los gSGFETs y optimizado haciendo un tratamiento UVO en la interfaz metal/grafeno y desacoplando el canal de grafeno del sustrato utilizando diferentes nanomateriales como la encapsulación con nitruro de boro hexagonal (hBN), monocapas autoensambladas y bicapas de grafeno.

Además, se han fabricado con éxito sondas neurales epicorticales e intracorticales flexibles con matrices de gSGFET y se han utilizado durante las medidas de microelectrocorticografía in vivo en roedores. Se han insertado dispositivos intracorticales flexibles en el cerebro utilizando un protocolo de refuerzo de la capa posterior de los dispositivos con proteína de fibroína de seda biorresistente. Los resultados presentados en esta tesis demuestran la superior resolución espacio-temporal de los gSGFET en comparación con la tecnología estándar de microelectrodos; en particular, referente a la capacidad de mapear con alta fidelidad, la actividad de muy baja frecuencia (ISA, < 0,1 Hz) junto con las señales en el típico ancho de banda LFP.

Hoy en día se sabe que la actividad cerebral de muy baja frecuencia, contribuye a la fisiopatología de varios trastornos neurológicos como el derrame cerebral, la lesión cerebral traumática, la migraña y la epilepsia. Sin embargo, esta actividad rara vez se registra debido a las limitaciones técnicas intrínsecas de los electrodos convencionales acoplados a la CA.

Se han obtenido registros con sondas neuronales de profundidad de grafeno (gDNP) en modelos animales de epilepsia. Se detectó ISA a través de diferentes capas corticales y regiones subcorticales, registrando simultáneamente la actividad epiléptica en bandas de frecuencia más convencionales (1-600Hz). Además, se ha demostrado también la evaluación de la estabilidad y funcionalidad en registros crónicos, así como la biocompatibilidad del gDNP.

La tecnología bioelectrónica basada en el grafeno aquí descrita tiene el potencial de convertirse en una herramienta de referencia para la electrofisiología de ancho de banda completo. Se prevé que esta tecnología tenga un gran impacto en una comunidad amplia y multidisciplinaria que incluya investigadores en neurotecnología, ingenieros biomédicos, neurocientíficos que estudien la dinámica cortical de banda ancha asociada con el comportamiento espontáneo y/o los estados cerebrales, así como investigadores clínicos interesados en la actividad de baja frecuencia en la epilepsia, los accidentes cerebrovasculares y la migraña.

Recent years have witnessed novel technology developments of neural implants for medical applications which are expected to pave the way to unveil functionalities of the central nervous system. Understanding the human brain is commonly considered one of the biggest scientific challenges of our time; as a consequence, we are witnessing an intensified research in the development of brain-machine-interfaces (BMIs), which would allow us to both read and stimulate brain activity. Nevertheless, currently available neural implants offer a modest clinical efficacy, partly due to the limitations posed by the invasiveness of the implants materials and technology and by the metals used at the electrical interface with the tissue. Such materials compromise the interfacing resolution, the performance and the long term stability of neural implants. Development of flexible electronics using biocompatible materials is key for the realisation of minimally invasive neural implants, which can be chronically implanted without causing rejection from the immune system.

A relatively young yet very promising research field, that is increasingly drawing attention is the use of two dimensional materials, such as graphene, for bioelectronic applications. Graphene solution-gated field effect transistor (gSGFET) is one of several emerging new neural technologies. These devices can overcome the above-mentioned limitations thanks to the outstanding properties of graphene, such as mechanical flexibility, electrochemical inertness, biocompatibility and high sensitivity.

In this PhD thesis, arrays of gSGFETs have been fabricated and iteratively optimized in terms of sensitivity and signal-to-noise ratio, adopting wafer-scale micro-fabrication methods. The 1/f noise in gSGFETs has been characterised and the optimisation of both, contact and channel noises was achieved by UVO-treatment at the metal/graphene interface, as well as by decoupling the graphene channel from the substrate, using different nanomaterials such as graphene encapsulation with hexagonal boron nitride (hBN), self assembled monolayers and double transferred graphene.

Moreover, flexible and ultra-thin epicortical and intracortical neural probes, containing arrays of gSGFETs, have been successfully fabricated and used during in vivo microelectrocorticography recordings in anaesthesized and awake rodents. Flexible intracortical devices were inserted into the brain using a back-coating stiffening protocol with bioresobable silk fibroin protein, developed during this PhD thesis. The results presented in this PhD demonstrate the superior spatio-temporal resolution of gSGFETs compared to standard microelectordes technology; particularly the ability to map with high fidelity, infraslow activity (ISA, < 0.1 Hz) together with signals in the typical local field potential bandwidth.

Today it is known that infraslow brain activity, including spreading depolarisations, contribute to the pathophysiology of several neurological disorders such as stroke, traumatic brain injury, migraine and epilepsy. However, this activity is seldom recorded due to intrinsic technical limitations of conventional AC-coupled electrodes.

To demonstrate the usefulness of the developed flexible gSGFET arrays technology, recordings have been obtained with multichannel flexible graphene depth neural probes (gDNP) in relevant awake animal models of seizures and established epilepsy. ISA was detected and mapped through different cortical layers and subcortical regions, whilst simultaneously recording epileptiform activity in more conventional frequency bands (1-600Hz). Furthermore, the assessment of the long term recording stability and functionality, as well as biocompatibility of the gDNP has also been demonstrated as part of this thesis.

The graphene based bioelectronic technology here described has the potential to become a gold standard tool for full bandwidth electrophysiology. This technology is envisioned to have a great impact on a broad and multidisciplinary community including neurotechnology researchers, biomedical engineers, neuroscientists studying wide-band cortical dynamics associated with spontaneous behaviour and/or brain states, as well as clinical researchers interested in the role of infraslow activity in epilepsy, stroke and migraine.