Encapsulation of a retina implant

Abstract

Novel micro-photodiodes with an open circuit voltage of V = 2.3 V for the in-vitro stimulation of retinal tissue are designed and manufactured in this work. Three material systems for the encapsulation of retina implants are tested in in-vitro cell cultures: (i) SiOx/SiNy, (ii) benzocyclobutene, (iii) polyimide 2611. Surface sensitive X-ray photoelectronspectroscopy (XPS) and volume- and surface sensitive Fast Fourier transmission infrared spectroscopy (FTIR) serve to analyse the chemical composition of the materials; impedance spectroscopy (Z(f)) is employed to observe the electronic behavior of the dielectric materials. XPS and FTIR demonstrate the progressive dissolution of the top SiNx layer of the SiOx/SiNy system by 1...2 nm/d in cell culture media. In contrast, neither XPS nor FTIR show a progressing degradation of the polymers BCB and polyimide after cell culture treatment. Z(f) demonstrates the layer´s high parallel resistance after cell culture tests. However, within the first 24 h of electrolyte treatment after the hot-oven sterilization at a temperature T = 105 C, Z(f) points to a diffusion-like process of electrolyte components into the surface layer of the polyimide. Based on a physical model of the polyimide layer with a columnar-like bulk structure and a high surface roughness, this work develops an electric equivalent circuit for the PI-electrolyte system in the frequency range f = 10^-3 ...10^7 Hz. The diffusion process leads to a smooth interface region, d = 3...10 nm, at the PI's surface where ions or molecules are embedded into the biphenyldianhydride/1,4phenylenediamine (BPDA/PPD) matrix of the polyimide. The "water" uptake does not, however, result in the break up of bonds in the BPDA/PPD backbone structure. As a result of the superior biostability, the polyimide 2611 will be the encapsulation material of the next generation of subretinal implants.

In der Arbeit werden a-Si:H Mikrophotodioden mit einer Leerlaufspannung von V = 2.3 V zur in-vitro Stimulation von Netzhäuten neu entwickelt und hergestellt. Drei Materialien zur Verkapselung von Retina Implantaten werden in in-vitro Zellkulturen getestet: (i) SiOx/SiNy, (ii) Benzocyclobuten, (iii) Polyimid 2611. Oberflächenauflösende Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) sowie volumen- und oberflächenempfindliche Fast Fourier Transform Infrarotspektroskopie (FTIR) dienen der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Materialien; Impedanzspektroskopie (Z(f)) analysiert die elektrischen Eigenschaften aller drei Dielektrika. XPS und FTIR zeigen eine Auflösung der SiNx Schicht des SiOx/SiNy Systems mit einer Rate von 1...2 nm/d in biologischen Medien. Im Gegensatz dazu bleiben die Polymere BCB und PI während der Behandlung mit Zellkulturen chemisch stabil. Z(f) belegt den hohen Parallelwiderstand der Testschichten nach Behandlung mit Zellkulturen. Innerhalb der ersten 24 h Elektrolytbehandlung nach der Probensterilisation in einem Trockenofen bei einer Temperatur T = 105 C, deutet Z(f) jedoch auf einen diffusionsähnlichen Prozess von Elektrolytkomponenten in eine oberflächennahe Schicht des Polyimid hin. Basierend auf einem physikalischen Modell für PI-Schichten mit einem kolumnar-ähnlichen Volumen und einer hohen Oberflächenrauhigkeit, entwickelt die vorliegende Arbeit ein Ersatzschaltbild für das PI-Elektrolytsystem im Frequenzbereich f = 10^-3...10^7 Hz. Die Diffusion von Elektrolytkomponenten führt zu einem PI-Elektrolyt-Übergangsbereich mit einer Dicke d = 3... 10 nm, in dem eindiffundierte Ionen und Moleküle in die Biphenyldianhydrid/1,4 Phenylendiamin- Matrix (BPDA/PPD) des Polyimids eingebettet sind. Die Aufnahme von Elektrolytbestandteilen führt nicht zum Bruch kovalenter Bindungen im BPDA/PPD Gerüst. Als Konsequenz der überlegenen Biostabilität wird Polyimid 2611 als Verkapselungsmaterial für die nächste Generation von Retina Implantaten eingesetzt werden.