Hemispherical Microelectrode Array for Retinal Neural Interface

Abstract

망막에서 뉴런 신경 신호를 분석하기 위해, 생체 외 동물 실험은 망막 조직으로부터 뉴런 활성을 기록할 수 있는 평판형 미세전극어레이를 사용하여 수행되어왔다. 망막 실험 과정에서 평판형 미세전극어레이에 반구 형태의 망막 조직을 평평하게 변형시켜 부착하는 것은 불가피하다. 그러나 조직을 변형시키는 과정에서 발생하는 기계적 스트레스가 망막의 비정상적인 생리적 반응을 일으킬 수 있다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 망막 조직의 변형 없이 전극에 밀착될 수 있는 반구형 미세전극어레이의 제조 공정을 제안했다. 높은 곡률 내에서 전극을 제조하기 위해, 절연체는 신축성 있는 PDMS를 사용했고 전극으로는 높은 연성의 알루미늄 포일을 사용했다. 반구형 미세전극 어레이는 레이저 공정을 이용하여 전극층을 제조하고 반구층에 조립함으로써 완성되었다. 또한 전극을 물결 패턴으로 디자인하고 마찰 계수에 대한 탄성 변형률에 대한 시뮬레이션을 진행하여 대변형에 의한 한계를 극복했다. 우리는 앞으로 반구형 미세전극어레이와 평판형 미세전극어레이에서 망막의 신경 신호를 비교하여 조직의 스트레스에 의한 반응을 비교 분석할 수 있으며 전기생리학적인 방법을 사용하여 망막의 위치에 따른 반응 또한 관찰 및 분석하는 연구를 진행하는데 참고가 될 수 있을 것으로 기대한다.;To investigate the neuronal visual encoding process in the retina, researchers have performed in vitro experiments using animal retinal tissues on a microelectrode array (MEA), which can record and regulate neuronal activity from the retinal tissue. In the retinal experimental setups, it is usually inevitable to flatten the retinal tissue from the original hemispherical shape to firmly adhere to the planar substrate. However, in the process of deforming tissues, the retina is subjected to mechanical stress, which can cause abnormal physiological reactions. To solve this problem, we propose fabrication processes for the hemispherical MEAs with a curvature that allows retinal tissues to adhere closely to the electrodes without retinal tissue deformation. In order to fabrication a high curvature electrode, a thin elastomeric electrode layer was fabricated and then assembled into a hemispherical layer. In this paper, aluminum foil was laser-patterned and insulated with thin elastomer to make the electrode layer. Three manufacturing processes are introduced to fabricate thin electrode layers without etching and photolithography. The first method is to insulate the electrode site using laser machining after the insulation, the second method is to open the electrode site using imprinting using LCP, and the third is to form the electrode site by bonding top and bottom PDMS layers. In addition, mechanical simulation confirmed that the thin electrode layer can be uniformly stretched into the hemispherical shape by reducing the friction coefficient during assembly procedures. After the hemispherical electrode was successfully fabricated, iridium oxide electroplating was performed to decrease the electrochemical impedance of the electrode. The feasibility for the neural recording from retinal tissues has been shown by conducting ex-vivo retinal experiments.