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Development of an implantable epiretinal vision prosthesis with integrated image acquisition (OPTOEPIRET)

Subject Area Microsystems
Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Medical Physics, Biomedical Technology
Term from 2015 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 278868304
 
Final Report Year 2020

Final Report Abstract

Mit epiretinalen und subretinalen Sehprothesen auf der Basis der elektrischen Stimulation ist es möglich, erblindeten Menschen wieder ein gewisses Sehvermögen zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Projekts sollte der epiretinale Ansatz um eine integrierte Bildaufnahme erweitert werden bei gleichzeitigem großem Gesichtsfeld. Hierzu sind folgend Arbeiten durchgeführt worden. IWE: Zu Beginn des Projekts wurde ein Design und Layout eines flexiblen Polyimidträgersubstrats hergestellt. Auf der Vorderseite des Substrats befinden sich Stimulationselektroden, auf der Rückseite Kontakte zur Flip-Chip-Montage der CMOS-Chips vom EBS. In einem nächsten Schritt wurde die notwendige Zweilagenmetallisierung mit einer Durchkontaktierung und Realisierung von Kontaktpads auf der Rückseite für das flexible Polyimidsubstrat entwickelt. Weiterhin musste ein Prozess zum Dünnen der CMOS-Chips auf eine Dicke von 20 µm entwickelt werden sowie eine Montagetechnik, um die gedünnten Chips mit Flip-Chip-Technik auf die Rückseite des flexiblen Substrats zu kontaktieren. Im Rahmen einer Layout-Studie wurde weiterhin untersucht, wie die Komplexität des Substrats erhöht werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass auf der Basis der Entwicklung in OPTOEPIRET ein Implantat mit 1089 Stimulations/Ableitelektroden realisiert werden kann. EBS: Um im Projektverlauf eine für die Partner frühzeitigere Verfügbarkeit von funktional auf die jeweiligen Testphasen zugeschnittenen Chips zu gewährleisten, wurden in Abänderung der ursprünglichen Planung insgesamt vier verschiedene Chip-Designs als Multiprojekt-Chips MPC1 bis MPC4 realisiert. Zunächst entstand dabei eine reine Geometrie-Variante ohne Funktion (MPC1) mit den Zielabmessungen und den Pad-Geometrien für frühe Integrations-, Kontaktierungs- und Implantationsversuche. Die Endfunktionalität wurde in zwei Stufen mit einem Chip geringer Komplexität (MPC2), der zunächst nur die Kernbaugruppen (Optik-Frontend, Elektroden-Frontend, Auswahl- und Steuerelekronik) enthielt und einem Chip mit hoher Komplexität (MPC3), mit den für die Pixel-individuelle belichtungsabhängige Generierung von Stimulationspulsfolgen erforderlichen Schaltungserweiterungen (ADC, Arbiträrsignalgenerator, Stützstellenspeicher, Sequenzer-Logik, etc.) erzielt. Die gefunden Schaltungs- und Layoutkonzepte erwiesen sich als tragfähig und die spezifizierten Eigenschaften ließen sich bei der Chip-Validierung an gesägten und aufgebauten Teilmengen der prozessierten Wafer vollständig messtechnisch nachweisen. Während die MPCs 2 und 3 noch für eine stark reduzierte Pixelanzahl (4 Pixel je Implantatflügel) ausgelegt waren, sollte der gemeinsam mit MPC3 prozessierte MPC4 den Nachweis der Machbarkeit einer zukünftigen hochdichten Matrix von Elektroden-Detektorpaaren, zusammen mit der erforderlichen Signalverarbeitungskette liefern. Die Validierung dieses über die geplanten Arbeitspakete hinaus zusätzlich entstandenen Chips dauert derzeit noch an. UAK: Zunächst wurden die OPTO-EPIRET Strukturen in einem Standardverfahren auf Biokompatibilität überprüft. Sowohl beim Kontakt mit Materialextrakten als auch bei der Aussaat von Testzellen auf die Strukturen konnte kein zelltoxischer Effekt nachgewiesen werden und auch das Expressionsprofil relevanter Gene der getesteten zeigte keine relevanten Auffälligkeiten. Die in-vivo Verträglichkeit der Strukturen ist begrenzt durch den operativen Eingriff und sein Komplikationsprofil. Im Unterschied zu reinen flexiblen MEA Strukturen sind die OPTO EPIRET Strukturen etwas steifer, was einen größeren operativen Zugang für die Implantation erforderlich macht. Aufgrund des größeren Hornhautschnitts sieht man häufiger Hornhauttrübungen. Aufgrund der Steifigkeit des Systems ist auch das Risiko für Netzhautablösungen durch unbeabsichtigte Netzhautlöcher, die bei der Implantation entstehen können, größer. Die immunhistologischen Untersuchungen zeigen einerseits eine verstärkte gliale Reaktion wie man es nach vitreoretinalen Eingriffen dieses Umfangs erwarten würde, belegen aber andererseits, das es nicht zu einer Einwanderung von Entzündungszellen in die Netzhaut kommt, so dass wir davon ausgehen, dass weitere Verbesserungen im Design und Aufbau solcher Strukturen notwendig sind, sie sich aber grundsätzlich zur Stimulation der Netzhaut eignen und neue Wege der Signal- und Energietransmission in ein Retina Implantat ermöglichen.

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