Engineering and characterization of a silk-based organic artificial retina

It was estimated in 1997 that more than eight million people were legally blind from retinal degeneration, like Retinite Pigmentosa (RP) and Age-Related Macular Degeneration (AMD). These pathologies are not currently treatable with surgery or genetic cures. A valid approach seems to be the replacement of the degenerated tissue with an artificial retina. A device was studied in literature, consisting of a videocamera acquiring images of the external world, and in their codified transmission towards an implanted electrical stimulator. The disadvantages of such a device, however, are numerous. In this thesis work, realized at the Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) jointly with Politecnico di Milano, the possibility to create an organic-based artificial retina capable of overcoming the Silicon-based one limitations. In organic photodetectors, the photoactive materials are liquids at ambient temperature and they must be deposed on top of a solid substrate. This additional degree of freedom about the substrate choice allows the use of flexible materials, transparent in the optical range, and with high biocompatibility. In particular, the substrate chosen for this artificial retina is a Bombyx-Mori silk thin film. The fabrication process of the aforementioned device is accurately described in this thesis work. Also, the artificial retina is characterized from an optical, mechanical, structural, chemical/physical, and electrical point of view. The validation is realized through the implantation in eyes of RCS (Royal College of Surgeons) rats. Evoked Visual Potentials (VEP) are firstly measured in blind rats and healthy rats, in order to establish a comparative baseline, and then in implanted rats. Finally, the behavioural aptitude of the implanted rat with respect to the blind or the healthy one is analyzed through psychophysical tests.

E' stato stimato nel 1997 che più di otto milioni di persone soffrono di cecità causata da patologie degenerative della retina, come la Retinite Pigmentosa (RP) e la Degenerazione Maculare senile (AMD). Tali patologie non sono attualmente curabili tramite chirurgia o trattamenti genetici. Un approccio valido sembra essere la sostituzione del tessuto degenerato con una retina artificiale. In letteratura è stato studiato un dispositivo che consiste generalmente in una telecamera che acquisisce immagini sul mondo esterno, e che ne invia una versione codificata ad un elettrostimolatore impiantato. Gli svantaggi di questo tipo di dispositivo, tuttavia, sono molteplici. In questo lavoro di tesi, realizzato presso l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) unitamente al Politecnico di Milano, viene analizzata la possibilità di creare una retina artificiale basata su tecnologia organica che possa superare le limitazioni caratteristiche della controparte basata su Silicio. Nei fotorivelatori organici, i materiali fotoattivi sono liquidi a temperatura ambiente e devono essere depositati su un substrato solido. Questo grado di libertà aggiuntivo sulla scelta del substrato permette di utilizzare materiali flessibili, trasparenti nel range visivo, e con una elevata biocompatibilità. In particolare, il substrato scelto per questa retina artificiale organica è un film sottile di seta Bombyx-Mori. Nel presente lavoro viene descritto accuratamente il processo di fabbricazione di tale dispositivo, il quale viene successivamente caratterizzato da un punto di vista ottico, meccanico, strutturale, chimico/fisico ed elettrico. La validazione viene realizzata con un impianto in occhi di ratti RCS (Royal College of Surgeons). I Potenziali Evocati Visivi (VEP) vengono misurati prima su ratti ciechi e su ratti sani, al fine di stabilire una linea di base comparativa, e successivamente su ratti impiantati. Infine, si analizza tramite test psicofisici l'attitudine comportamentale del ratto impiantato rispetto a quella del ratto cieco o sano.