Существует растущий и неудовлетворенный спрос на оптические системы для биомедицинских приложений. Необходимы миниатюрные и гибкие оптические инструменты, чтобы обеспечить надежную амбулаторную визуализацию и визуализацию по требованию, а также манипулирование биологическими событиями в организме. Интегрированная фотонная технология в основном развивалась вокруг разработки устройств для оптической связи. Появление кремниевой фотоники стало поворотным моментом в обеспечении оптических функций небольшого форм-фактора чипа.
Исследования в этой области бурно развивались за последние пару десятилетий. Однако силикон – опасно жесткий материал для взаимодействия с мягкими тканями в биомедицинских приложениях.
Это увеличивает риск повреждения тканей и рубцевания у пациентов, особенно из-за волнистости мягких тканей относительно негибкого устройства, вызванной дыханием и другими процессами.
Чаманзар, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники (ECE) и биомедицинской инженерии, увидел острую необходимость в оптической платформе, адаптированной к биоинтерфейсам, с оптическими возможностями и гибкостью. Его решение, Parylene Photonics, является первой биосовместимой и полностью гибкой интегрированной фотонной платформой из когда-либо созданных.
Чтобы создать этот новый класс фотонных материалов, лаборатория Чаманзара разработала сверхкомпактные оптические волноводы путем изготовления силикона (PDMS), органического полимера с низким показателем преломления, вокруг ядра из парилена C, полимера с гораздо более высоким показателем преломления.
Контраст показателя преломления позволяет волноводу эффективно направлять свет, в то время как сами материалы остаются чрезвычайно пластичными. В результате получилась гибкая платформа, способная работать в широком спектре света и имеющая толщину всего 10 микрон – примерно 1/10 толщины человеческого волоса.
«Мы использовали Parylene C в качестве биосовместимого изоляционного покрытия для электрических имплантируемых устройств, когда я заметил, что этот полимер оптически прозрачен.
Мне стало любопытно его оптические свойства, и я провел некоторые базовые измерения ", – сказал Чаманзар. "Я обнаружил, что парилен C обладает исключительными оптическими свойствами. Это было началом представления о париленовой фотонике как о новом направлении исследований."
Дизайн Чаманзара был создан с учетом нейронной стимуляции, что позволяет целенаправленно стимулировать и контролировать определенные нейроны в мозге. Ключевым моментом здесь является создание встроенных микрозеркал под углом 45 градусов.
В то время как предшествующие оптические биоинтерфейсы стимулировали большую часть ткани головного мозга сверх того, что можно было измерить, эти микрозеркала создают плотное перекрытие между стимулируемым объемом и записываемым объемом. Эти микрозеркала также позволяют интегрировать внешние источники света с париленовыми волноводами.
Выпускница ЕЭК Майя Ласситер (MS, ’19), которая участвовала в проекте, сказала: «Оптическая упаковка – интересная проблема, которую нужно решить, потому что лучшие решения должны быть практичными. Мы смогли упаковать наши париленовые фотонные волноводы с дискретными источниками света, используя доступные методы упаковки, чтобы создать компактное устройство."
Области применения фотоники из парилена выходят далеко за рамки оптической нейронной стимуляции и однажды могут заменить существующие технологии практически во всех областях оптических биоинтерфейсов. Эти крошечные гибкие оптические устройства можно вводить в ткань для краткосрочной визуализации или манипуляции. Их также можно использовать в качестве постоянных имплантируемых устройств для длительного наблюдения и терапевтических вмешательств.
Кроме того, Чаманзар и его команда рассматривают возможные варианты использования носимых устройств. Фотонные устройства из парилена, размещенные на коже, могут использоваться для приспособления к трудным участкам тела и измерения частоты пульса, насыщения кислородом, кровотока, биомаркеров рака и других биометрических данных. По мере изучения дополнительных вариантов оптической терапии, таких как лазерное лечение раковых клеток, применение более универсального оптического биоинтерфейса будет только расти.
«Высокий коэффициент контрастности между париленом C и PDMS обеспечивает низкие потери на изгибе», – сказал доктор ECE Ph.D. кандидат Джей Редди, работавший над этим проектом. «Эти устройства сохраняют эффективность 90%, поскольку они плотно изогнуты до радиуса почти полмиллиметра, точно соответствуя анатомическим особенностям, таким как улитка и нервные пучки."
Еще одна нетрадиционная возможность для париленовой фотоники на самом деле связана с линиями связи, в результате чего все стремления Чаманзара замкнулись. Современные межсоединения между кристаллами обычно используют довольно негибкие оптические волокна, и любая область, в которой требуется гибкость, требует передачи сигналов в электрическую область, что значительно ограничивает полосу пропускания. Однако гибкие париленовые фотонные кабели представляют собой многообещающее решение с высокой пропускной способностью, которое может заменить оба типа оптических межсоединений и способствовать развитию оптических межсоединений.
«На данный момент мы продемонстрировали полностью гибкие париленовые фотонные волноводы с низкими потерями и встроенными микрозеркалами, которые позволяют вводить / выводить свет в широком диапазоне длин оптических волн», – сказал Чаманзар. «В будущем на этой платформе могут быть реализованы и другие оптические устройства, такие как микрорезонаторы и интерферометры, что позволит реализовать целый спектр новых приложений."
Учитывая недавнюю публикацию Чаманзара, посвященную дебюту фотоники Parylene, невозможно сказать, насколько далеко могут быть далеко идущие эффекты этой технологии.
Тем не менее, последствия этой работы более чем вероятно ознаменуют новую главу в развитии оптических биоинтерфейсов, подобных тому, что позволило кремниевой фотонике в оптических коммуникациях и обработке данных.