Dissertation/ Thesis
Graphene oxide based thin-film interface technologies for vision restoration
| Τίτλος: | Graphene oxide based thin-film interface technologies for vision restoration |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Duvan, Fikret Taygun |
| Thesis Advisors: | Garrido Ariza, José Antonio, Jiménez Jiménez, David |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Autònoma de Barcelona, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 372 p. |
| Θεματικοί όροι: | Interfícies neuronals, Neural Interfaces, Interfaces neuronales, Tecnologies |
| Time: | 621.3 |
| Περιγραφή: | L'òxid de grafè reduït (rGO) es va investigar com una via de desenvolupament de materials per avançar en neuropròtesis retinianes destinades a restaurar la visió en malalties degeneratives com la DMAE i la RP. Vam desenvolupar i optimitzar interfícies neuronals basades en rGO (matrius de microelèctrodes rígids i sondes flexibles) que demostren una baixa impedància i una alta capacitat d'injecció de càrrega segura a escales micromètriques mitjançant espectroscòpia d'impedància, voltamperometria cíclica i cronopotenciometria. El rendiment i la durabilitat es van millorar mitjançant noves rutes de fabricació que van reforçar l'adhesió interfacial mitjançant l'activació superficial personalitzada, juntament amb una pila de barrera de difusió HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ dipositada amb ALD que va millorar l'estabilitat en condicions operatives. A partir d'aquests avenços a nivell de dispositiu, vam aconseguir una integració a nivell de sistema dins de l'arquitectura de la pròtesi retiniana i-Vision mitjançant el patronatge directe d'elèctrodes rGO en ASIC personalitzats per a l'estimulació/enregistrament, la implementació d'interconnexions de xip flexible fiables i l'establiment de fluxos de treball d'encapsulació adequats per a l'entorn intraocular. La validació funcional es va procedir des d'in vitro fins a in vivo. En cultius neuronals, les matrius de rGO van registrar activitat espontània i van proporcionar una estimulació controlada. En la retina ex vivo, els elèctrodes de rGO van capturar les respostes de les cèl·lules ganglionals evocades per la llum i van permetre l'estimulació elèctrica amb patrons amb latències d'aproximadament 2-4 ms consistents amb l'activació directa del RGC; les imatges de calci concurrents van confirmar l'activació espacialment confinada amb una mínima interacció de xarxa. In vivo, els implants subretinals de rGO en models de rata van ser ben tolerats durant 90 dies amb respostes inflamatòries comparables als controls de platí i polímer, mentre que l'ecografia funcional va verificar l'activació de les vies visuals durant l'estimulació retiniana mediada per rGO. Els estudis corticals amb matrius de rGO epicorticals i intracorticals van produir VEP reproduïbles; la degradació electroquímica inicial observada en els primers dispositius es va mitigar amb l'encapsulació ALD, restaurant l'estabilitat crònica durant setmanes o mesos. També introduïm una sonda híbrida que integra tiges intracorticals i epicorticals. Col·lectivament, aquests resultats posicionen el rGO com una tecnologia d'elèctrodes segura, selectiva, estable i compatible amb el sistema, avançant el camí cap a pròtesis retinals escalables i d'alta resolució per a la traducció clínica. |
| Description (Translated): | El óxido de grafeno reducido (rGO) se investigó como una vía prioritaria para el desarrollo de neuroprótesis retinianas, destinadas a restaurar la visión en enfermedades degenerativas como la DMAE y la RP. Desarrollamos y optimizamos interfaces neuronales basadas en rGO (matrices rígidas de microelectrodos y sondas flexibles), que demostraron baja impedancia y alta capacidad de inyección de carga segura a escalas micrométricas mediante espectroscopia de impedancia, voltamperometría cíclica y cronopotenciometría. Se mejoraron el rendimiento y la durabilidad mediante nuevas rutas de fabricación que reforzaron la adhesión interfacial mediante activación superficial personalizada, junto con una pila de barrera de difusión de HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ depositada mediante ALD, que mejoró la estabilidad en condiciones operativas. Basándonos en estos avances a nivel de dispositivo, logramos una integración a nivel de sistema dentro de la arquitectura de la prótesis de retina i-Vision mediante la creación directa de patrones de electrodos rGO en ASIC personalizados para estimulación/registro, la implementación de interconexiones de chip invertido fiables y el establecimiento de flujos de trabajo de encapsulación adecuados para el entorno intraocular. La validación funcional se realizó in vitro e in vivo. En cultivos neuronales, las matrices rGO registraron la actividad espontánea y administraron estimulación controlada. En la retina ex vivo, los electrodos rGO capturaron las respuestas de las células ganglionares evocadas por la luz y permitieron una estimulación eléctrica con patrones con latencias de ~2–4 ms consistentes con la activación directa de RGC; la obtención de imágenes de calcio simultáneas confirmó la activación confinada espacialmente con una mínima diafonía de red. In vivo, los implantes subretinianos de rGO en modelos de rata fueron bien tolerados durante 90 días con respuestas inflamatorias comparables a los controles de platino y polímero, mientras que la ecografía funcional verificó la activación de las vías visuales durante la estimulación retiniana mediada por rGO. Los estudios corticales con matrices rGO epicorticales e intracorticales produjeron VEP reproducibles; La degradación electroquímica inicial observada en los primeros dispositivos se mitigó gracias a la encapsulación ALD, lo que restableció la estabilidad crónica en cuestión de semanas o meses. También presentamos una sonda híbrida que integra vástagos intracorticales y epicorticales. En conjunto, estos resultados posicionan a rGO como una tecnología de electrodos segura, selectiva, estable y compatible con el sistema, lo que impulsa el desarrollo de prótesis retinianas escalables y de alta resolución para su aplicación clínica. Reduced graphene oxide (rGO) was investigated as a materials-first route to advance retinal neuroprostheses aimed at restoring vision in degenerative diseases such as AMD and RP. We developed and optimized rGO-based neural interfaces—rigid microelectrode arrays and flexible probes—demonstrating low impedance and high safe charge-injection capacity at micrometric scales through impedance spectroscopy, cyclic voltammetry, and chronopotentiometry. Yield and durability were improved via new fabrication routes that strengthened interfacial adhesion using tailored surface activation, alongside an ALD-deposited HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ diffusion-barrier stack that enhanced stability under operational conditions. Building on these device-level advances, we realized system-level integration within the i-Vision retinal prosthesis architecture by directly patterning rGO electrodes on custom ASICs for stimulation/recording, implementing reliable flip-chip interconnects, and establishing encapsulation workflows suitable for the intraocular environment. Functional validation proceeded from in vitro to in vivo. In neuronal cultures, rGO arrays recorded spontaneous activity and delivered controlled stimulation. In ex vivo retina, rGO electrodes captured light-evoked ganglion-cell responses and enabled patterned electrical stimulation with ~2–4 ms latencies consistent with direct RGC activation; concurrent calcium imaging confirmed spatially confined activation with minimal network cross-talk. In vivo, subretinal rGO implants in rat models were well tolerated over 90 days with inflammatory responses comparable to platinum and polymer controls, while functional ultrasound verified activation of visual pathways during rGO-mediated retinal stimulation. Cortical studies with epicortical and intracortical rGO arrays yielded reproducible VEPs; initial electrochemical degradation observed in early devices was mitigated by the ALD encapsulation, restoring chronic stability over weeks to months. We also introduce a hybrid probe integrating intracortical and epicortical shanks. Collectively, these results position rGO as a safe, selective, stable, and system-compatible electrode technology, advancing the path toward scalable, high-resolution retinal prostheses for clinical translation. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Enginyeria Electrònica i de Telecomunicació |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/696699 |
| Rights: | ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.696699 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: https://hdl.handle.net/10803/696699# Name: EDS - TDX (ns324271) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.696699 RelevancyScore: 1424 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1424.46997070313 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Graphene oxide based thin-film interface technologies for vision restoration – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Duvan%2C+Fikret+Taygun%22">Duvan, Fikret Taygun</searchLink> – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Garrido Ariza, José Antonio<br />Jiménez Jiménez, David – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat Autònoma de Barcelona, 2026. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2026 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 372 p. – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Interfícies+neuronals%22">Interfícies neuronals</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Neural+Interfaces%22">Neural Interfaces</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Interfaces+neuronales%22">Interfaces neuronales</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Tecnologies%22">Tecnologies</searchLink> – Name: Subject Label: Time Group: Su Data: 621.3 – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: L'òxid de grafè reduït (rGO) es va investigar com una via de desenvolupament de materials per avançar en neuropròtesis retinianes destinades a restaurar la visió en malalties degeneratives com la DMAE i la RP. Vam desenvolupar i optimitzar interfícies neuronals basades en rGO (matrius de microelèctrodes rígids i sondes flexibles) que demostren una baixa impedància i una alta capacitat d'injecció de càrrega segura a escales micromètriques mitjançant espectroscòpia d'impedància, voltamperometria cíclica i cronopotenciometria. El rendiment i la durabilitat es van millorar mitjançant noves rutes de fabricació que van reforçar l'adhesió interfacial mitjançant l'activació superficial personalitzada, juntament amb una pila de barrera de difusió HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ dipositada amb ALD que va millorar l'estabilitat en condicions operatives. A partir d'aquests avenços a nivell de dispositiu, vam aconseguir una integració a nivell de sistema dins de l'arquitectura de la pròtesi retiniana i-Vision mitjançant el patronatge directe d'elèctrodes rGO en ASIC personalitzats per a l'estimulació/enregistrament, la implementació d'interconnexions de xip flexible fiables i l'establiment de fluxos de treball d'encapsulació adequats per a l'entorn intraocular. La validació funcional es va procedir des d'in vitro fins a in vivo. En cultius neuronals, les matrius de rGO van registrar activitat espontània i van proporcionar una estimulació controlada. En la retina ex vivo, els elèctrodes de rGO van capturar les respostes de les cèl·lules ganglionals evocades per la llum i van permetre l'estimulació elèctrica amb patrons amb latències d'aproximadament 2-4 ms consistents amb l'activació directa del RGC; les imatges de calci concurrents van confirmar l'activació espacialment confinada amb una mínima interacció de xarxa. In vivo, els implants subretinals de rGO en models de rata van ser ben tolerats durant 90 dies amb respostes inflamatòries comparables als controls de platí i polímer, mentre que l'ecografia funcional va verificar l'activació de les vies visuals durant l'estimulació retiniana mediada per rGO. Els estudis corticals amb matrius de rGO epicorticals i intracorticals van produir VEP reproduïbles; la degradació electroquímica inicial observada en els primers dispositius es va mitigar amb l'encapsulació ALD, restaurant l'estabilitat crònica durant setmanes o mesos. També introduïm una sonda híbrida que integra tiges intracorticals i epicorticals. Col·lectivament, aquests resultats posicionen el rGO com una tecnologia d'elèctrodes segura, selectiva, estable i compatible amb el sistema, avançant el camí cap a pròtesis retinals escalables i d'alta resolució per a la traducció clínica. – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: El óxido de grafeno reducido (rGO) se investigó como una vía prioritaria para el desarrollo de neuroprótesis retinianas, destinadas a restaurar la visión en enfermedades degenerativas como la DMAE y la RP. Desarrollamos y optimizamos interfaces neuronales basadas en rGO (matrices rígidas de microelectrodos y sondas flexibles), que demostraron baja impedancia y alta capacidad de inyección de carga segura a escalas micrométricas mediante espectroscopia de impedancia, voltamperometría cíclica y cronopotenciometría. Se mejoraron el rendimiento y la durabilidad mediante nuevas rutas de fabricación que reforzaron la adhesión interfacial mediante activación superficial personalizada, junto con una pila de barrera de difusión de HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ depositada mediante ALD, que mejoró la estabilidad en condiciones operativas. Basándonos en estos avances a nivel de dispositivo, logramos una integración a nivel de sistema dentro de la arquitectura de la prótesis de retina i-Vision mediante la creación directa de patrones de electrodos rGO en ASIC personalizados para estimulación/registro, la implementación de interconexiones de chip invertido fiables y el establecimiento de flujos de trabajo de encapsulación adecuados para el entorno intraocular. La validación funcional se realizó in vitro e in vivo. En cultivos neuronales, las matrices rGO registraron la actividad espontánea y administraron estimulación controlada. En la retina ex vivo, los electrodos rGO capturaron las respuestas de las células ganglionares evocadas por la luz y permitieron una estimulación eléctrica con patrones con latencias de ~2–4 ms consistentes con la activación directa de RGC; la obtención de imágenes de calcio simultáneas confirmó la activación confinada espacialmente con una mínima diafonía de red. In vivo, los implantes subretinianos de rGO en modelos de rata fueron bien tolerados durante 90 días con respuestas inflamatorias comparables a los controles de platino y polímero, mientras que la ecografía funcional verificó la activación de las vías visuales durante la estimulación retiniana mediada por rGO. Los estudios corticales con matrices rGO epicorticales e intracorticales produjeron VEP reproducibles; La degradación electroquímica inicial observada en los primeros dispositivos se mitigó gracias a la encapsulación ALD, lo que restableció la estabilidad crónica en cuestión de semanas o meses. También presentamos una sonda híbrida que integra vástagos intracorticales y epicorticales. En conjunto, estos resultados posicionan a rGO como una tecnología de electrodos segura, selectiva, estable y compatible con el sistema, lo que impulsa el desarrollo de prótesis retinianas escalables y de alta resolución para su aplicación clínica.<br />Reduced graphene oxide (rGO) was investigated as a materials-first route to advance retinal neuroprostheses aimed at restoring vision in degenerative diseases such as AMD and RP. We developed and optimized rGO-based neural interfaces—rigid microelectrode arrays and flexible probes—demonstrating low impedance and high safe charge-injection capacity at micrometric scales through impedance spectroscopy, cyclic voltammetry, and chronopotentiometry. Yield and durability were improved via new fabrication routes that strengthened interfacial adhesion using tailored surface activation, alongside an ALD-deposited HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ diffusion-barrier stack that enhanced stability under operational conditions. Building on these device-level advances, we realized system-level integration within the i-Vision retinal prosthesis architecture by directly patterning rGO electrodes on custom ASICs for stimulation/recording, implementing reliable flip-chip interconnects, and establishing encapsulation workflows suitable for the intraocular environment. Functional validation proceeded from in vitro to in vivo. In neuronal cultures, rGO arrays recorded spontaneous activity and delivered controlled stimulation. In ex vivo retina, rGO electrodes captured light-evoked ganglion-cell responses and enabled patterned electrical stimulation with ~2–4 ms latencies consistent with direct RGC activation; concurrent calcium imaging confirmed spatially confined activation with minimal network cross-talk. In vivo, subretinal rGO implants in rat models were well tolerated over 90 days with inflammatory responses comparable to platinum and polymer controls, while functional ultrasound verified activation of visual pathways during rGO-mediated retinal stimulation. Cortical studies with epicortical and intracortical rGO arrays yielded reproducible VEPs; initial electrochemical degradation observed in early devices was mitigated by the ALD encapsulation, restoring chronic stability over weeks to months. We also introduce a hybrid probe integrating intracortical and epicortical shanks. Collectively, these results position rGO as a safe, selective, stable, and system-compatible electrode technology, advancing the path toward scalable, high-resolution retinal prostheses for clinical translation.<br />Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Enginyeria Electrònica i de Telecomunicació – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="https://hdl.handle.net/10803/696699" linkWindow="_blank">https://hdl.handle.net/10803/696699</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.696699 |
| PLink | https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.696699 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 372 Subjects: – SubjectFull: Interfícies neuronals Type: general – SubjectFull: Neural Interfaces Type: general – SubjectFull: Interfaces neuronales Type: general – SubjectFull: Tecnologies Type: general Titles: – TitleFull: Graphene oxide based thin-film interface technologies for vision restoration Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Duvan, Fikret Taygun IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 30 M: 01 Type: published Y: 2026 |
| ResultId | 1 |