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聚对二甲苯光子学使未来的光学生物界面成为可能

卡内基梅隆大学的Maysam Chamanzar和他的团队发明了一个光学平台,该平台很可能成为光学生物接口的新标准。他将光学技术的这一新领域称为“对二甲苯光子学”,在《自然微系统与纳米工程》的最新论文中对此进行了证明。

对于生物医学应用的光学系统的需求正在增长且尚未得到满足。需要小型且灵活的光学工具,以实现可靠的门诊和按需成像以及对体内生物事件的操纵。集成光子技术主要围绕光通信设备的开发而发展。硅光子学的出现是将光学功能带入芯片的小尺寸的转折点。

在过去的几十年中,该领域的研究蓬勃发展。然而,硅是在生物医学应用中与软组织相互作用的危险的刚性材料。这增加了患者遭受组织损伤和疤痕的风险,特别是由于呼吸和其他过程导致软组织相对于不挠性装置起伏。

电气与计算机工程学(ECE)和生物医学工程学助理教授Chamanzar看到了对光学平台的迫切需求,该平台适用于具有光学功能和灵活性的生物接口。他的解决方案Parylene光子学是有史以来第一个具有生物兼容性且完全灵活的集成光子平台。

为了创建这种新的光子材料类别,Chamanzar的实验室通过在聚对二甲苯C的核芯周围制造聚硅氧烷(PDMS)(一种低折射率的有机聚合物)来设计超紧凑型光波导,该聚对二甲苯C的芯具有更高的折射率。折射率的差异使波导可以有效地传输光,而材料本身仍然非常柔软。这样就形成了一个灵活的平台,可以在宽广的光谱范围内工作,厚度仅为10微米,大约是人发厚度的1/10。

Chamanzar说:“当我注意到这种聚合物是光学透明的时,我们将Parylene C用作生物相容性绝缘涂层,用于电植入设备。我对它的光学性能感到好奇,并做了一些基本的测量。”“我发现Parylene C具有出色的光学性能。这是将Parylene光子学视为新研究方向的开端。”

Chamanzar的设计是在考虑神经刺激的前提下进行的,从而可以有针对性地进行刺激并监视大脑中特定神经元。对此至关重要的是创建45度嵌入式微镜。尽管现有的光学生物界面已经刺激了大脑组织的广阔范围,超出了可以测量的范围,但是这些微镜却在被刺激的体积和记录的体积之间形成了紧密的重叠。这些微镜还可将外部光源与聚对二甲苯波导集成在一起。

参与该项目的ECE校友Maya Lassiter(MS,'19)说:“光学包装是一个有趣的问题,因为最好的解决方案需要切实可行。我们能够用离散光包装我们的Parylene光子波导来源使用可访问的包装方法来实现紧凑的设备。”

聚对二甲苯光子学的应用范围远不止于光学神经刺激,而且有一天可能会取代光学生物接口几乎每个领域中的当前技术。这些微小的柔性光学设备可以插入组织中进行短期成像或操作。它们还可以用作永久植入设备,用于长期监测和治疗干预。

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