EGNITE: Engineered Graphene for Neural Interface

Abstract

La tecnologia d’implants neuronals en medicina té com a objectiu restaurar la funcionalitat del sistema nerviós en casos de degeneració o dany greu registrant o estimulant l’activitat elèctrica del teixit nerviós. Els implants neuronals disponibles actualment ofereixen una eficàcia clínica modesta, en part a causa de les limitacions que tenen els metalls utilitzats en la interfície elèctrica amb el teixit. Aquests materials comprometen la resolució de la interfície i, per tant, la restauració funcional amb el rendiment i l’estabilitat. En aquest treball presento uns implants neuronals flexibles basats en una pel·lícula prima de grafè porós nanoestructurat i biocompatible que proporciona una interfície neural bidireccional estable i d’alt rendiment. En comparació amb els dispositius de microelectrodos de platí estàndard, elèctrodes de 25 μm de diàmetre basats en grafè ofereixen una impedància significativament menor i poden injectar de manera segura 200 vegades més càrrega durant més de 100 milions de polsos. N’evaluo les seves capacitats in vivo registrant activitat epicortical amb alta fidelitat i alta resolució, estimulant subconjunts d’axons dins del nervi ciàtic amb llindars de corrent baixos i alta selectivitat i modulant l’activitat de la retina amb alta precisió. La tecnologia de pel·lícula fina de grafè aquí descrita té el potencial de convertir-se en el nou punt de referència per la pròxima generació de tecnologia d’implants neuronals.

La tecnología de implantes neuronales en medicina tiene como objetivo restaurar la funcionalidad del sistema nervioso en casos de degeneración o daño grave registrando o estimulando la actividad eléctrica del tejido nervioso. Los implantes neurales disponibles actualmente ofrecen una eficacia clínica modesta, en parte debido a las limitaciones que plantean los metales utilizados en la interfaz eléctrica con el tejido. Dichos materiales comprometen la resolución de la interfaz y, por lo tanto, la restauración funcional con el rendimiento y la estabilidad. En este trabajo presento unos implantes neuronales flexibles basados en una película delgada de grafeno poroso nanoestructurado y biocompatible que proporciona una interfaz neural bidireccional estable y de alto rendimiento. En comparación con los dispositivos de microelectrodos de platino estándar, electrodos de 25 μm de diámetro basados en grafeno ofrecen una impedancia significativamente menor y pueden inyectar de forma segura 200 veces más carga durante más de 100 millones de pulsos. Aquí evaluo sus capacidades in vivo registrando actividad epicortical con alta fidelidad y alta resolución, estimulando subconjuntos de axones dentro del nervio ciático con umbrales de corriente bajos y alta selectividad y modulando la actividad de la retina con alta precisión. La tecnología de película fina de grafeno aquí descrita tiene el potencial de convertirse en el nuevo punto de referencia para la próxima generación de tecnología de implantes neuronales.

Neural implants technology in medicine aims to restore nervous system functionality in cases of severe degeneration or damage by recording or stimulating the electrical activity of the nervous tissue. Currently available neural implants offer a modest clinical efficacy partly due to the limitations posed by the metals used at the electrical interface with the tissue. Such materials compromise interfacing resolution, and therefore functional restoration, with performance and stability. In this work, I present flexible neural implants based on a biocompatible nanostructured porous graphene thin film that provides a stable and high performance bidirectional neural interface. Compared to standard platinum microelectrode devices, the graphene-based electrodes of 25 μm diameter offer significantly lower impedance and can safely inject 200 times more charge for more than 100 million pulses. I assessed their performance in vivo by recording high fidelity and high resolution epicortical activity, by stimulating subsets of axons within the sciatic nerve with low thresholds and high selectivity and by modulating the retinal activity with high precision. The graphene thin film technology I describe here has the potential to become the new performance benchmark for the next generation of neural implant technology.