Maysam Chamanzar van Carnegie Mellon University en zijn team hebben een optisch platform uitgevonden dat waarschijnlijk de nieuwe standaard zal worden in optische bio-interfaces. Hij noemde dit nieuwe gebied van optische technologie "Parylene-fotonica, " gedemonstreerd in een recent artikel in Natuurmicrosystemen en nano-engineering .

Er is een groeiende en onvervulde vraag naar optische systemen voor biomedische toepassingen. Er zijn geminiaturiseerde en flexibele optische hulpmiddelen nodig om betrouwbare ambulante en on-demand beeldvorming en manipulatie van biologische gebeurtenissen in het lichaam mogelijk te maken. Geïntegreerde fotonische technologie heeft zich voornamelijk ontwikkeld rond het ontwikkelen van apparaten voor optische communicatie. De komst van siliciumfotonica was een keerpunt in het brengen van optische functionaliteiten naar de kleine vormfactor van een chip.

Onderzoek op dit gebied heeft de afgelopen decennia een enorme vlucht genomen. Echter, silicium is een gevaarlijk stijf materiaal voor interactie met zacht weefsel in biomedische toepassingen. Dit verhoogt het risico voor patiënten om weefselbeschadiging en littekens te krijgen, vooral vanwege de golving van zacht weefsel tegen het inflexibele apparaat veroorzaakt door ademhaling en andere processen.

Chamanzar, een universitair docent Electrical and Computer Engineering (ECE) en Biomedical Engineering, zag de dringende behoefte aan een optisch platform dat is afgestemd op bio-interfaces met zowel optische mogelijkheden als flexibiliteit. Zijn oplossing, Parylene fotonica, is het eerste biocompatibele en volledig flexibele geïntegreerde fotonische platform ooit gemaakt.

Om deze nieuwe fotonische materiaalklasse te creëren, Chamanzar's lab ontwierp ultracompacte optische golfgeleiders door siliconen (PDMS) te fabriceren, een organisch polymeer met een lage brekingsindex, rond een kern van Parylene C, een polymeer met een veel hogere brekingsindex. Het contrast in brekingsindex zorgt ervoor dat de golfgeleider het licht effectief kan geleiden, terwijl de materialen zelf extreem buigzaam blijven. Het resultaat is een platform dat flexibel is, kan werken over een breed spectrum van licht, en is slechts 10 micron dik - ongeveer 1/10 van de dikte van een mensenhaar.

"We gebruikten Parylene C als een biocompatibele isolatiecoating voor elektrische implanteerbare apparaten, toen ik merkte dat dit polymeer optisch transparant is. Ik werd nieuwsgierig naar de optische eigenschappen en deed enkele basismetingen, " zei Chamanzar. "Ik ontdekte dat Parylene C uitzonderlijke optische eigenschappen heeft. Dit was het begin van het denken over Parylene-fotonica als een nieuwe onderzoeksrichting."

Het ontwerp van Chamanzar is gemaakt met neurale stimulatie in gedachten, waardoor gerichte stimulatie en monitoring van specifieke neuronen in de hersenen mogelijk is. Cruciaal hierbij is is de creatie van ingebouwde microspiegels van 45 graden. Terwijl eerdere optische bio-interfaces een groot deel van het hersenweefsel hebben gestimuleerd dat verder gaat dan wat kon worden gemeten, deze microspiegels creëren een nauwe overlap tussen het volume dat wordt gestimuleerd en het opgenomen volume. Deze microspiegels maken ook integratie van externe lichtbronnen met de Parylene-golfgeleiders mogelijk.

ECE-alumna Maya Lassiter (MS, '19), die bij het project betrokken was, zei, "Optische verpakkingen zijn een interessant probleem om op te lossen omdat de beste oplossingen praktisch moeten zijn. We waren in staat om onze Parylene fotonische golfgeleiders te verpakken met discrete lichtbronnen met behulp van toegankelijke verpakkingsmethoden, om een ​​compact apparaat te realiseren."

De toepassingen voor Paryleen-fotonica gaan veel verder dan optische neurale stimulatie, en zou op een dag de huidige technologieën op vrijwel elk gebied van optische bio-interfaces kunnen vervangen. Deze kleine flexibele optische apparaten kunnen in het weefsel worden ingebracht voor kortdurende beeldvorming of manipulatie. Ze kunnen ook worden gebruikt als permanente implanteerbare apparaten voor langdurige monitoring en therapeutische interventies.

Aanvullend, Chamanzar en zijn team overwegen mogelijk gebruik in wearables. Paryleen-fotonische apparaten die op de huid worden geplaatst, kunnen worden gebruikt om zich aan te passen aan moeilijke delen van het lichaam en de hartslag te meten, zuurstofverzadiging, Bloedstroom, kanker biomarkers, en andere biometrie. Naarmate verdere opties voor optische therapieën worden onderzocht, zoals laserbehandeling voor kankercellen, de toepassingen voor een meer veelzijdige optische bio-interface zullen alleen maar blijven groeien.

"Het hoge indexcontrast tussen Parylene C en PDMS zorgt voor een laag buigverlies, " zei ECE-promovendus Jay Reddy, die aan dit project heeft gewerkt. "Deze apparaten behouden 90% efficiëntie omdat ze strak zijn gebogen tot een straal van bijna een halve millimeter, nauw aansluitend op anatomische kenmerken zoals het slakkenhuis en zenuwbanen."

Een andere onconventionele mogelijkheid voor Parylene-fotonica is eigenlijk in communicatieverbindingen, waardoor Chamanzar's hele achtervolging de cirkel rond was. Huidige chip-to-chip-interconnecties gebruiken meestal nogal inflexibele optische vezels, en elk gebied waarin flexibiliteit nodig is, vereist de overdracht van de signalen naar het elektrische domein, wat de bandbreedte aanzienlijk beperkt. Flexibele Parylene fotonische kabels, echter, bieden een veelbelovende oplossing met hoge bandbreedte die beide typen optische verbindingen zou kunnen vervangen en vooruitgang in het ontwerp van optische verbindingen mogelijk zou maken.

"Tot dusver, we hebben lage verliezen aangetoond, volledig flexibele Parylene fotonische golfgeleiders met ingebouwde microspiegels die input/output lichtkoppeling mogelijk maken over een breed scala aan optische golflengten, "zei Chamanzar. "In de toekomst, andere optische apparaten zoals microresonators en interferometers kunnen ook in dit platform worden geïmplementeerd om een ​​heel scala aan nieuwe toepassingen mogelijk te maken."

Met de recente publicatie van Chamanzar, die het debuut markeert van Parylene-fotonica, het is onmogelijk om te zeggen hoe verreikend de effecten van deze technologie zouden kunnen zijn. Echter, de implicaties van dit werk zullen hoogstwaarschijnlijk een nieuw hoofdstuk markeren in de ontwikkeling van optische bio-interfaces, vergelijkbaar met wat siliciumfotonica mogelijk maakte in optische communicatie en verwerking.