很大可能實(shí)現(xiàn)未來的光學(xué)生物界面

在過去的幾十年中，該領(lǐng)域的研究蓬勃發(fā)展。然而，硅是在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中與軟組織相互作用的危險(xiǎn)的剛性材料。這增加了患者遭受組織損傷和疤-痕的風(fēng)險(xiǎn)，特別是由于呼吸和其他過程導(dǎo)致軟組織相對(duì)于不撓性裝置起伏。

電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)(ECE)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)助理教授Chamanzar看到了對(duì)光學(xué)平臺(tái)的迫切需求，該平臺(tái)適用于具有光學(xué)功能和靈活性的生物接口。他的解決方案Parylene光子學(xué)是有史以來第一個(gè)具有生物兼容性且*靈活的集成光子平臺(tái)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Maysam Chamanzar和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一個(gè)光學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)很可能成為光學(xué)生物接口的新標(biāo)準(zhǔn)。他將光學(xué)技術(shù)的這一新領(lǐng)域稱為“對(duì)二甲苯光子學(xué)”，在《自然微系統(tǒng)與納米工程》的-新論文中對(duì)此進(jìn)行了證明。

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)的需求正在增長(zhǎng)且尚未得到滿足。需要小型且靈活的光學(xué)工具，以實(shí)現(xiàn)可靠的門診和按需成像以及對(duì)體內(nèi)生物事件的操縱。集成光子技術(shù)主要圍繞光通信設(shè)備的開發(fā)而發(fā)展。硅光子學(xué)的出現(xiàn)是將光學(xué)功能帶入芯片的小尺寸的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

為了創(chuàng)建這種新的光子材料類別，Chamanzar的實(shí)驗(yàn)室通過在聚對(duì)二甲苯C的核芯周圍制造聚硅氧烷(PDMS)(一種低折射率的有機(jī)聚合物)來設(shè)計(jì)超緊湊型光波導(dǎo)，該聚對(duì)二甲苯C的芯具有更高的折射率。折射率的差異使波導(dǎo)可以有效地傳輸光，而材料本身仍然非常柔軟。這樣就形成了一個(gè)靈活的平臺(tái)，可以在寬廣的光譜范圍內(nèi)工作，厚度僅為10微米，大約是人發(fā)厚度的1/10。

Chamanzar說：“當(dāng)我注意到這種聚合物是光學(xué)透明的時(shí)，我們將Parylene C用作生物相容性絕緣涂層，用于電植入設(shè)備。我對(duì)它的光學(xué)性能感到好奇，并做了一些基本的測(cè)量。”“我發(fā)現(xiàn)Parylene C具有出色的光學(xué)性能。這是將Parylene光子學(xué)視為新研究方向的開端。”

Chamanzar的設(shè)計(jì)是在考慮神經(jīng)刺激的前提下進(jìn)行的，從而可以有針對(duì)性地進(jìn)行刺激并監(jiān)視大腦中特定神經(jīng)元。對(duì)此至關(guān)重要的是創(chuàng)建45度嵌入式微鏡。盡管現(xiàn)有的光學(xué)生物界面已經(jīng)刺激了大腦組織的廣闊范圍，超出了可以測(cè)量的范圍，但是這些微鏡卻在被刺激的體積和記錄的體積之間形成了緊密的重疊。這些微鏡還可將外部光源與聚對(duì)二甲苯波導(dǎo)集成在一起。

聚對(duì)二甲苯光子學(xué)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止于光學(xué)神經(jīng)刺激，而且有一天可能會(huì)取代光學(xué)生物接口幾乎每個(gè)領(lǐng)域中的當(dāng)前技術(shù)。這些微小的柔性光學(xué)設(shè)備可以插入組織中進(jìn)行短期成像或操作。它們還可以用作永-久植入設(shè)備，用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和治療干預(yù)。

參與該項(xiàng)目的ECE校友Maya Lassiter(MS，'19)說：“光學(xué)包裝是一個(gè)有趣的問題，因?yàn)?好的解決方案需要切實(shí)可行。我們能夠用離散光包裝我們的Parylene光子波導(dǎo)來源使用可訪問的包裝方法來實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)備。”