GRAphene-based Flexible neural Interfaces for the control of Neuroprosthetic devices – GRAFIN

GRAFIN WP1 fabriquera des matrices de microélectrodes de graphène sur substrats souples, en utilisant nouvelle technologie en oxyde de graphène réduit développée par ICN2 qui permet des capacités d’injection de charge élevées. Des prototypes seront produits pour interfaces avec SNC, SNP et de surface, intégrant capacités d'enregistrement et de stimulation. WP2 (UAB) démontrera la communication bidirectionnelle avec le SNP. Les dispositifs seront implantés dans les nerfs de rat et la biocompatibilité sera évaluée. Une caractérisation électrophysiologique sera réalisée sur la capacité d'enregistrement et de stimulation des electrodes. WP3 réalisera des études en implantant électrodes cérébrales in vivo pour stimuler le cortex somatosensoriel primaire afin de fournir un retour sensoriel, ainsi que pour l'enregistrement du signal des commandes motrices dans la région motrice. La fonction des électrodes du SNC sera testée dans des expériences aigus répondant à une stimulation mécanique de la peau. Des expériences chroniques seront effectuées en conditionnant les rats à une stimulation électrique par le biais d'électrodes de graphène implantées à le cortex somatosensoriel. Le WP4 effectuera une évaluation clinique des électrodes de graphène de surface pour acquisition de signaux bioélectriques chez les sujets amputés et les personnes aptes. Le contrôle en boucle fermée des membres prothétiques et virtuels sera démontré en utilisant des électrodes en graphène pour fournir un retour sensoriel. L'intégration des signaux obtenus pour fournir une stimulation réaliste du système nerveux via un stimulateur multicanal contrôlé, ainsi que le matériel d'enregistrement sera réalisée. Le WP5 (AXO) travaillera à la fabrication d’un microstimulateur permettant d’activer différents groupes de cellules à l’aide des dispositifs au graphène et collectera des données permettant de répondre à la réglementation des dispositifs médicaux.

WP1. Prototypes d'électrodes GRAFIN ont été conçus pour le SNP et le SNC, et ont été fabriqués avec le nouveau matériau de graphène (GRM) com électrode active. Les premiers dispositifs ont été livrés à UAB et BOUN pour des tests initiaux sur modèles expérimentaux. ICN2 a caractérisé électrochimiquement le nouveau GRM et les électrodes produites.
WP2. UAB a effectué des tests de biocompatibilité préliminaires pour dispositifs implantés dans le nerf périphérique. Aucune altération de la fonction et de la réaction histologique des implants contenant GRM n’a été constatée. Implantations dans les nerfs de rat ont été réalisées pour tester la faisabilité de la technique et pour définir caractéristiques physiques du dispositif. Les premièrs tests fonctionnels indiquen résultats prometteurs en termes de seuil de stimulation.
WP3. BOUN a réalisé des expériences d'enregistrement cortical et de stimulation sur des rats anesthésiés avec des électrodes commercials pour comparaison avec des électrodes GRAFIN. Les potentiels évoqués sur le cortex S1 ont été enregistrés en response à stimulation vibrotactile. BOUN et ICN2 ont participé à la conception de dispositifs et d’adaptateurs pour les électrodes au SNC. Les premiers électrodes du SNC son utilisés dans des expériences aigues chez le rat. Le stimulateur AXONIC a été testé conformément à spécifications.
WP4. CTH et ICN2 ont conçu plusieurs configurations d'électrodes pour l'enregistrement EMG de surface et la stimulation sensorielle. ICN2 est en train de finaliser la fabrication des électrodes. CTH a mis au point un banc d'essai pour mesurer les caractéristiques électriques de base des électrodes standard et à base de GRM avant les essais sur l'homme.
WP5. Axonic a développé un neurostimulateur SWAM (Stimulator Wireless Axonic Multipolar) conçu pour activer différents groupes de cellules à l'aide des dispositifs GRAFIN. Un logiciel dédié, ASF (Axonic Software Framework), a été développé pour le stimulateur.

Les premiers prototypes d'électrodes GRAFIN pour les interfaces du système nerveux ont été conçus pour s'adapter aux applications envisagées. Les dispositifs GRM ont été fabriqués, surmontant certaines difficultés liées au dépôt de matériau et à la configuration de conception. Les premiers appareils ont déjà été livrés aux partenaires UAB et BOUN pour des tests initiaux sur des modèles expérimentaux.
Au cours de la deuxième année du projet, nous nous concentrerons sur les études expérimentales pour étudier de manière approfondie la biocompatibilité des nouveaux dispositifs GRM et leur capacité fonctionnelle d’interfaçage bidirectionnel avec le PNS et le CNS.
La conception plus récente d'électrodes de surface de grandes dimensions basées sur le GRM est en cours, avec de bonnes chances d'être testée sur des sujets humains au cours de la prochaine période.

Articles publiés dans des revues à comité de lecture
Masvidal-Codina E, Illa X, Dasilva M, …, Garrido JA, Guimerà-Brunet A. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nat Mater 2019; 18: 280-288.
de la Oliva N, Del Valle J, Delgado-Martínez I, Mueller M, Stieglitz T, Navarro X. Long-term functionality of transversal intraneural electrodes is improved by dexamethasone treatment. IEEE Trans Neural Systems Rehab Eng 2019; 27: 457-464
Öztürk S, Devecioglu I, Beygi M, Atasoy A, Mutlu S, Özkan M, Güçlü B. Real-time performance of a tactile neuroprosthesis on awake behaving rats. IEEE Trans Neural Systems Rehab Eng 2019; 27: 1053-1062.
Ortiz-Catalan M. The stochastic entanglement and phantom motor execution hypotheses: a theoretical framework for the origin and treatment of PLP. Front Neurology 2018; 9: 748.
Günter C, Delbeke J, Ortiz-Catalan M. Safety of long-term electrical peripheral nerve stimulation: review of the state of the art. J Neuroeng Rehab 2019; 16.1: 13.

Presentations a Conferences
Garrido JA. Graphene technologies in neural interfaces. ICN2 Severo Ochoa International Conference, Barcelona (Spain), 15 Feb, 2018.
del Valle J, De la Oliva N, Rodríguez B, Delgado-Martínez I, Müller M, Stieglitz T, Navarro X. Long-term functionality of transversal intraneural electrodes is improved by dexamethasone treatment. Cell-NERF Symposium: Neurotechnologies, Leuven, Belgium, September 2018.
Navarro X. Interfacing the peripheral nervous system with advanced prostheses. Anatomical and physiological contributions. Plenary conference. International Congress of Clinical Anatomy, Madrid, Spain, 24-26 June 2019.
Güçlü B. From mechanoreceptors to perception by electrovibration. Koç University, Mechanical Engineering Dept, Istanbul, March 26th, 2019

Brevets d’inventions
Amorphous highly porous reduced graphene oxide film and its applications, EP19382146 (submitted Feb 27, 2019)