Carnegie Mellon Universitys Maysam Chamanzar och hans team har uppfunnit en optisk plattform som sannolikt kommer att bli den nya standarden inom optiska biogränssnitt. Han har kallat detta nya område av optisk teknik "Parylene fotonik, " demonstrerade i en ny tidning i Naturens mikrosystem och nanoteknik .

Det finns en växande och ouppfylld efterfrågan på optiska system för biomedicinska tillämpningar. Miniatyriserade och flexibla optiska verktyg behövs för att möjliggöra tillförlitlig ambulatorisk och on-demand avbildning och manipulering av biologiska händelser i kroppen. Integrerad fotonikteknik har huvudsakligen utvecklats kring utveckling av enheter för optisk kommunikation. Tillkomsten av kiselfotonik var en vändpunkt för att få optiska funktioner till den lilla formfaktorn hos ett chip.

Forskningen inom detta område har blomstrat under de senaste decennierna. Dock, kisel är ett farligt styvt material för att interagera med mjukvävnad i biomedicinska tillämpningar. Detta ökar risken för patienter att genomgå vävnadsskada och ärrbildning, speciellt på grund av den mjuka vävnadens vågformning mot den oflexibla anordningen orsakad av andning och andra processer.

Chamanzar, en biträdande professor i elektro- och datateknik (ECE) och biomedicinsk teknik, såg det trängande behovet av en optisk plattform skräddarsydd för biogränssnitt med både optisk förmåga och flexibilitet. Hans lösning, Parylenfotonik, är den första biokompatibla och fullt flexibla integrerade fotoniska plattformen som någonsin tillverkats.

För att skapa denna nya fotoniska materialklass, Chamanzars labb designade ultrakompakta optiska vågledare genom att tillverka silikon (PDMS), en organisk polymer med lågt brytningsindex, runt en kärna av Parylene C, en polymer med ett mycket högre brytningsindex. Kontrasten i brytningsindex gör att vågledaren kan röra ljus effektivt, medan själva materialen förblir extremt följsamma. Resultatet är en plattform som är flexibel, kan fungera över ett brett spektrum av ljus, och är bara 10 mikron tjock – ungefär 1/10 av tjockleken på ett människohår.

"Vi använde Parylene C som en biokompatibel isoleringsbeläggning för elektriska implanterbara enheter, när jag märkte att denna polymer är optiskt transparent. Jag blev nyfiken på dess optiska egenskaper och gjorde några grundläggande mätningar, " sa Chamanzar. "Jag fann att Parylene C har exceptionella optiska egenskaper. Detta var början på att tänka på Parylene-fotonik som en ny forskningsriktning."

Chamanzars design skapades med neural stimulering i åtanke, möjliggör riktad stimulering och övervakning av specifika neuroner i hjärnan. Avgörande för detta, är skapandet av 45-graders inbäddade mikrospeglar. Medan tidigare optiska biogränssnitt har stimulerat en stor del av hjärnvävnaden utöver vad som kunde mätas, dessa mikrospeglar skapar en tät överlappning mellan volymen som stimuleras och volymen som registreras. Dessa mikrospeglar möjliggör även integrering av externa ljuskällor med parylene-vågledarna.

ECE alumn Maya Lassiter (MS, '19), som var involverad i projektet, sa, "Optisk förpackning är ett intressant problem att lösa eftersom de bästa lösningarna måste vara praktiska. Vi kunde paketera våra parylen fotoniska vågledare med diskreta ljuskällor med hjälp av tillgängliga förpackningsmetoder, att förverkliga en kompakt enhet."

Tillämpningarna för parylenfotonik sträcker sig långt bortom optisk neural stimulering, och skulle en dag kunna ersätta nuvarande teknologier inom praktiskt taget alla områden av optiska biogränssnitt. Dessa små flexibla optiska enheter kan sättas in i vävnaden för korttidsavbildning eller manipulation. De kan också användas som permanenta implanterbara enheter för långtidsövervakning och terapeutiska ingrepp.

Dessutom, Chamanzar och hans team överväger möjliga användningsområden i wearables. Parylenfotoniska enheter placerade på huden kan användas för att anpassa sig till svåra områden på kroppen och mäta pulsfrekvens, syremättnad, blodflöde, cancerbiomarkörer, och annan biometri. När ytterligare alternativ för optisk terapi undersöks, såsom laserbehandling för cancerceller, applikationerna för ett mer mångsidigt optiskt biogränssnitt kommer bara att fortsätta växa.

"Den höga indexkontrasten mellan Parylene C och PDMS möjliggör en låg böjförlust, " sa ECE Ph.D.-kandidat Jay Reddy, som har arbetat med detta projekt. "Dessa enheter behåller 90 % effektivitet eftersom de är hårt böjda ner till en radie på nästan en halv millimeter, anpassar sig tätt till anatomiska egenskaper som snäckan och nervknippen."

En annan okonventionell möjlighet för parylenfotonik är faktiskt kommunikationslänkar, att föra Chamanzars hela strävan full cirkel. Nuvarande chip-till-chip sammankopplingar använder vanligtvis ganska oflexibla optiska fibrer, och alla områden där flexibilitet behövs kräver överföring av signalerna till den elektriska domänen, vilket avsevärt begränsar bandbredden. Flexibla parylen fotoniska kablar, dock, tillhandahålla en lovande lösning med hög bandbredd som kan ersätta båda typerna av optiska sammankopplingar och möjliggöra framsteg inom optisk sammankopplingsdesign.

"Än så länge, vi har visat låga förluster, helt flexibla fotoniska vågledare från Parylene med inbäddade mikrospeglar som möjliggör in-/utgångsljuskoppling över ett brett spektrum av optiska våglängder, sade Chamanzar. I framtiden, andra optiska enheter som mikroresonatorer och interferometrar kan också implementeras i denna plattform för att möjliggöra en hel skala av nya applikationer."

Med Chamanzars senaste publikation som markerar debuten av Parylene photonics, det är omöjligt att säga hur långtgående effekterna av denna teknik kan vara. Dock, Implikationerna av detta arbete kommer mer än sannolikt att markera ett nytt kapitel i utvecklingen av optiska biogränssnitt, liknande vad kiselfotonik möjliggjorde för optisk kommunikation och bearbetning.