很大可能實現(xiàn)未來的光學生物界面

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

電氣與計算機工程學(ECE)和生物醫(yī)學工程學助理教授Chamanzar看到了對光學平臺的迫切需求，該平臺適用于具有光學功能和靈活性的生物接口。他的解決方案Parylene光子學是有史以來第一個具有生物兼容性且*靈活的集成光子平臺。

卡內(nèi)基梅隆大學的Maysam Chamanzar和他的團隊發(fā)明了一個光學平臺，該平臺很可能成為光學生物接口的新標準。他將光學技術的這一新領域稱為“對二甲苯光子學”，在《自然微系統(tǒng)與納米工程》的-新論文中對此進行了證明。

對于生物醫(yī)學應用的光學系統(tǒng)的需求正在增長且尚未得到滿足。需要小型且靈活的光學工具，以實現(xiàn)可靠的門診和按需成像以及對體內(nèi)生物事件的操縱。集成光子技術主要圍繞光通信設備的開發(fā)而發(fā)展。硅光子學的出現(xiàn)是將光學功能帶入芯片的小尺寸的轉折點。

為了創(chuàng)建這種新的光子材料類別，Chamanzar的實驗室通過在聚對二甲苯C的核芯周圍制造聚硅氧烷(PDMS)(一種低折射率的有機聚合物)來設計超緊湊型光波導，該聚對二甲苯C的芯具有更高的折射率。折射率的差異使波導可以有效地傳輸光，而材料本身仍然非常柔軟。這樣就形成了一個靈活的平臺，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：“當我注意到這種聚合物是光學透明的時，我們將Parylene C用作生物相容性絕緣涂層，用于電植入設備。我對它的光學性能感到好奇，并做了一些基本的測量。”“我發(fā)現(xiàn)Parylene C具有出色的光學性能。這是將Parylene光子學視為新研究方向的開端。”

Chamanzar的設計是在考慮神經(jīng)刺激的前提下進行的，從而可以有針對性地進行刺激并監(jiān)視大腦中特定神經(jīng)元。對此至關重要的是創(chuàng)建45度嵌入式微鏡。盡管現(xiàn)有的光學生物界面已經(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二甲苯波導集成在一起。

聚對二甲苯光子學的應用范圍遠不止于光學神經(jīng)刺激，而且有一天可能會取代光學生物接口幾乎每個領域中的當前技術。這些微小的柔性光學設備可以插入組織中進行短期成像或操作。它們還可以用作永-久植入設備，用于長期監(jiān)測和治療干預。

參與該項目的ECE校友Maya Lassiter(MS，'19)說：“光學包裝是一個有趣的問題，因為-好的解決方案需要切實可行。我們能夠用離散光包裝我們的Parylene光子波導來源使用可訪問的包裝方法來實現(xiàn)緊湊的設備。”