Fabrication of soft, miniaturized and wireless optogenetic implants for neuromodulation and behavioral neuroscience

Abstract

Optogenetics is a biological technique for controlling the activity of neurons or other cell types with light, through genetically encoded light-sensitive proteins. Optogenetics has opened new doors for experimentation across biological fields. The field evolved with the need to precisely control neurons and decipher neural circuity and has made great accomplishments in neuroscience, mainly in the understanding of the biology that underlies several diseases of the nervous system.On the clinical side, electrical and drug treatments may not be able to fix the subtle cellular or system-level changes that cause various intractable disorders. However, with optogenetics, one can genetically target a cell population to achieve a specific physiological effect without taking a toll on its temporal resolution. For now, in the market, there are no optogenetic devices developed for use in the clinical setting.In this context, one of the challenges for wider use of optogenetics in neuroscience research, is development of miniaturized subdermally implantable optogenetic devices that deliver the light stimulation. Such devices are desired to be compact, wireless, soft, and biocompatible. However, this proved to be very challenging and costly, specially when it comes to energy-autonomous devices that need to harvest their energy from their surroundings. Adding to that, the need for implants that are soft enough to match the mechanical properties of the host tissue, makes this even more challenging.In this dissertation, I developed a soft, miniaturized and wireless implant that can be used in optogenetic applications such as treatment of neurological disorders through neuromodulation and neurobiological research in freely moving animals. By taking advantage of the advanced materials and fabrication techniques for soft and stretchable electronics developed at the University of Coimbra, I move steps towards the fabrication of energy-autonomous soft implants for optogenetic stimulation. Specifically, I focus on the issue of energy harvesting using miniaturized coil antennas for wireless power transfer through magnetic resonant coupling. To do so, I improved the existing fabrication techniques, that permitted for the first time patterning circuits with a resolution of 50 micrometers. Achieving such patterning resolution was very important in order to achieve miniaturized implants that could wirelessly light an LED without the need for batteries. Through several evolutions and improvements of the deposition and patterning techniques, the sheet resistance of the patterned circuits was reduced by ~40x, when comparing the first antenna fabricated with the last one.This improvement on the patterning resolution enabled the miniaturization of the initial prototype to 1/7 of its initial size. By the end, an adaptation of the current fabrication method to permit production of multi-layer circuits was devised and tested. An in vivo qualitative evaluation of the fabricated device’s biocompatibility was also conducted using animal subjects, which can serve as basis for future studies using these devices.Overall, this work can be seen as the stepping stone towards low-cost fabrication of wireless and soft implants for broad optogenetic applications.

A optogenética é uma técnica biológica usada para controlar a atividade de neurónios ou outros tipos de células usando luz e proteínas geneticamente modificadas para serem sensíveis à luz. A optogenética revolucionou a área da neurociência e da biologia celular, permitindo o estudo de circuitos neuronais em animais vivos com resolução espacial e temporal sem precedentes. Desde a sua descoberta muitos avanços têm sido feitos no entendimento das causas biológicas de várias doenças do sistema nervoso. Do ponto de vista clínico, tratamentos com recurso a fármacos ou estimulação elétrica muitas vezes não são capazes de resolver pequenas alterações a nível celular ou de sistema que causam várias doenças intratáveis. No entanto, com a optogenética, é possível selecionar geneticamente uma população de células específica sem que se perca resolução temporal. De momento no mercado não existem dispositivos optogenéticos para uso clínico. Neste contexto, um dos desafios para um uso mais amplo da optogenética em investigação neurobiológica é o desenvolvimento de dispositivos miniaturizados capazes de serem implantados subdermalmente e que permitam estimulação ótica. Estes dispositivos devem ser compactos, "soft", biocompatíveis e funcionar sem fios. No entanto, a sua fabricação mostra-se desafiante e dispendiosa. Especialmente quando se fabrica dispositivos desenhados para ser energeticamente autónomos, obtendo energia através do meio onde se encontram. Acrescentado a isso está a necessidade destes implantes serem feitos de materiais cujas características mecânicas sejam o mais semelhante possíveis às dos tecidos onde serão implantados, o que torna a sua fabricação ainda mais desafiante. Neste trabalho desenvolvi um implante “soft”, miniaturizado e sem fios com amplo potencial para aplicações optogenéticas como o tratamento de perturbações neurológicas através de neuromodulação ou para investigação neurobiológica em animais com movimento totalmente irrestrito. Tirando partido dos materiais e das avançadas técnicas de fabricação de circuitos "soft" e extensíveis desenvolvidas na Universidade de Coimbra, foram possíveis avanços na fabricação de implantes "soft" energeticamente autónomos para estimulação optogenética. Concentrei-me mais especificamente na questão da obtenção de energia através de antenas miniaturizadas com forma espiral otimizadas para a transmissão de energia elétrica sem fios por ressonância magnética. Para o fazer melhorei as técnicas de fabricação existentes levando a que se permitisse pela primeira vez o fabrico de circuitos com resolução de 50 micrómetros. Atingir esta resolução foi muito importante para que fosse possível produzir implantes miniaturizados capazes de obter energia suficiente para acender um LED sem a necessidade de baterias. Através de várias evoluções e melhorias das técnicas de deposição da tinta condutora e da marcação dos circuitos foi também feita uma melhoria na condutividade elétrica da camada de tinta condutora depositada, resultando numa melhoria de 40x em relação à condutividade da primeira antena fabricada. Esta melhoria permitiu a miniaturização do protótipo inicial para 1/7 do seu tamanho. No final, foi também concebida e testada uma adaptação do método de fabricação atual para que permitisse a produção de circuitos com mais do que uma camada. Uma avaliação qualitativa in vivo da biocompatibilidade dos dispositivos fabricados utilizando animais também foi feita, podendo servir de base para futuros estudos que utilizem o dispositivo desenvolvido.Concluindo, este trabalho pode ser visto como a pedra basilar para a fabricação de baixo custo de implantes "soft" e sem fios com amplas aplicações optogenéticas.