Parylen-fotonik muliggør fremtidige optiske biogrænseflader

Carnegie Mellon Universitys Maysam Chamanzar og hans team har opfundet en optisk platform, der sandsynligvis vil blive den nye standard inden for optiske biointerfaces. Han har kaldt dette nye felt af optisk teknologi "Parylene fotonik, " demonstreret i en nylig avis i Naturmikrosystemer og nanoteknik .

Der er en voksende og uopfyldt efterspørgsel efter optiske systemer til biomedicinske applikationer. Miniaturiserede og fleksible optiske værktøjer er nødvendige for at muliggøre pålidelig ambulatorisk og on-demand billeddannelse og manipulation af biologiske hændelser i kroppen. Integreret fotonisk teknologi har hovedsageligt udviklet sig omkring udvikling af enheder til optisk kommunikation. Fremkomsten af ​​siliciumfotonik var et vendepunkt i at bringe optiske funktionaliteter til en chips lille formfaktor.

Forskningen på dette område voksede i de sidste par årtier. Imidlertid, silicium er et farligt stift materiale til interaktion med blødt væv i biomedicinske applikationer. Dette øger risikoen for, at patienter får vævsskade og ardannelse, især på grund af bølgedannelsen af ​​blødt væv mod den ufleksible anordning forårsaget af respiration og andre processer.

Chamanzar, en adjunkt i elektro- og computerteknik (ECE) og biomedicinsk teknik, så det presserende behov for en optisk platform skræddersyet til biogrænseflader med både optisk kapacitet og fleksibilitet. Hans løsning, Parylen fotonik, er den første biokompatible og fuldt fleksible integrerede fotoniske platform nogensinde lavet.

For at skabe denne nye fotoniske materialeklasse, Chamanzars laboratorium designet ultrakompakte optiske bølgeledere ved at fremstille silikone (PDMS), en organisk polymer med et lavt brydningsindeks, omkring en kerne af Parylene C, en polymer med et meget højere brydningsindeks. Kontrasten i brydningsindekset gør det muligt for bølgelederen at røre lys effektivt, mens selve materialerne forbliver ekstremt smidige. Resultatet er en platform, der er fleksibel, kan fungere over et bredt lysspektrum, og er kun 10 mikron tyk - omkring 1/10 af tykkelsen af ​​et menneskehår.

"Vi brugte Parylene C som en biokompatibel isoleringsbelægning til elektriske implanterbare enheder, da jeg bemærkede, at denne polymer er optisk gennemsigtig. Jeg blev nysgerrig efter dens optiske egenskaber og foretog nogle grundlæggende målinger, " sagde Chamanzar. "Jeg fandt ud af, at Parylene C har exceptionelle optiske egenskaber. Dette var begyndelsen til at tænke på Parylene-fotonik som en ny forskningsretning."

Chamanzars design blev skabt med neural stimulation i tankerne, giver mulighed for målrettet stimulering og overvågning af specifikke neuroner i hjernen. Afgørende for dette, er skabelsen af ​​45-graders indlejrede mikrospejle. Mens tidligere optiske biointerfaces har stimuleret en stor del af hjernevævet ud over, hvad der kunne måles, disse mikrospejle skaber et tæt overlap mellem den lydstyrke, der stimuleres, og den optagede lydstyrke. Disse mikrospejle muliggør også integration af eksterne lyskilder med Parylene-bølgelederne.

ECE-alumne Maya Lassiter (MS, '19), hvem der var involveret i projektet, sagde, "Optisk emballage er et interessant problem at løse, fordi de bedste løsninger skal være praktiske. Vi var i stand til at pakke vores Parylene fotoniske bølgeledere med diskrete lyskilder ved hjælp af tilgængelige emballeringsmetoder, at realisere en kompakt enhed."

Anvendelserne til Parylene fotonik rækker langt ud over optisk neural stimulation, og kunne en dag erstatte nuværende teknologier inden for stort set alle områder af optiske biogrænseflader. Disse små fleksible optiske enheder kan indsættes i vævet til kortvarig billeddannelse eller manipulation. De kan også bruges som permanente implanterbare enheder til langtidsovervågning og terapeutiske indgreb.

Derudover Chamanzar og hans team overvejer mulige anvendelser i wearables. Parylen fotoniske enheder placeret på huden kan bruges til at tilpasse sig vanskelige områder af kroppen og måle pulsfrekvens, iltmætning, blodgennemstrømning, kræft biomarkører, og anden biometri. Efterhånden som yderligere muligheder for optisk terapi undersøges, såsom laserbehandling af kræftceller, applikationerne til en mere alsidig optisk biogrænseflade vil kun fortsætte med at vokse.

"Den høje indekskontrast mellem Parylene C og PDMS muliggør et lavt bøjningstab, " sagde ECE Ph.D.-kandidat Jay Reddy, som har arbejdet på dette projekt. "Disse enheder bevarer 90 % effektivitet, da de er stramt bøjet ned til en radius på næsten en halv millimeter, tilpasser sig tæt til anatomiske træk såsom sneglen og nervebundter."

En anden ukonventionel mulighed for parylene fotonik er faktisk i kommunikationsforbindelser, at bringe hele Chamanzars forfølgelse fuld cirkel. Nuværende chip-til-chip-forbindelser bruger normalt ret ufleksible optiske fibre, og ethvert område, hvor fleksibilitet er nødvendig, kræver overførsel af signalerne til det elektriske domæne, hvilket begrænser båndbredden markant. Fleksible parylen fotoniske kabler, imidlertid, levere en lovende løsning med høj båndbredde, der kunne erstatte begge typer optiske sammenkoblinger og muliggøre fremskridt inden for optisk sammenkoblingsdesign.

"Indtil nu, vi har vist lavt tab, Fuldt fleksible Parylene fotoniske bølgeledere med indlejrede mikrospejle, der muliggør input/output lyskobling over en bred vifte af optiske bølgelængder, " sagde Chamanzar. "I fremtiden, andre optiske enheder såsom mikroresonatorer og interferometre kan også implementeres i denne platform for at muliggøre en hel vifte af nye applikationer."

Med Chamanzars nylige udgivelse, der markerer debuten af ​​Parylene fotonik, det er umuligt at sige, hvor vidtgående virkningerne af denne teknologi kan være. Imidlertid, Implikationerne af dette arbejde markerer mere end sandsynligt et nyt kapitel i udviklingen af ​​optiske biogrænseflader, svarende til, hvad siliciumfotonik muliggjorde i optisk kommunikation og behandling.