“聚对二甲苯光子学”支持未来光学生物接口

基于聚对二甲苯的光波导具有重要的物理特性，这种物理特性可以让它成为光学生物接口的新标准。来自Carnegie Mellon University的研究人员开发了高度灵活的波导，它可以在宽光谱范围下工作。这个器件满足了对微型和灵活的光学工具的需求，这些工具是可靠的流动性应急成像以及身体内部生物活动的操作所必需的。集成光子技术主要围绕开发光通信器件而发展，这些技术主要以硅光子学为基础。

被神经元包围的聚对二甲苯光子波导。Carnegie Mellon University工程学院供图。

硅虽然在多种应用中有优势，但对于软组织相互作用来说过于刚硬。由于软组织对器件有波动起伏，在生物呼吸和其它过程中硅器件可能会损坏组织并留下疤痕。为了制造一种硅替代材料，Carnegie Mellon University电子和计算机工程助理教授Maysam Chamanzar和他的实验室工作人员通过制备低折射率的PDMS来设计微型光波导。它是以聚对二甲苯-C为核心，这是一种具有很高折射率的硅基有机聚合物。这种折射率的差别能够使波导有效地导光，但是材料本身保持柔韧性。最终搭建的光学设备是一个灵活的平台，它可以在广谱范围内工作并且只有10µm厚。

“我们当时使用聚对二甲苯-C作为电子植入器件的生物兼容绝缘涂层。我注意到这种聚合物是光学透明的。我对它的光学特性非常好奇并且做了一些基本的测量，”Chamanzar说。“我发现聚对二甲苯-C具有优异的光学性能。于是我们开始考虑‘甲苯光子学’作为一个新的研究方向。”Chamanzar领导的团队在设计这个器件时考虑到了神经刺激，从而允许有针对性的神经刺激以及监测大脑内部的特定神经元。技术的关键是创建 45°嵌入式微镜。虽然以前的光学生物接口刺激了大脑的大片区域而且超出了可以测量的范围，但这些微镜会在受刺激的大脑体积和被记录的大脑体积之间产生紧密的重叠。这些微镜还能够将外部光源与聚对二甲苯波导集成在一起。

研究生助理 Maya Lassiter 说：“光学封装是一个特别需要解决的问题，因为最好的解决方案必须是实用的。我们能够利用当前的封装方法，用离散光源封装聚对二甲烯光波导，以实现一个紧凑的器件。” Chamanzar和他的团队正在考虑在可穿戴技术中的潜在用途。放置在皮肤上的聚对二甲苯光子器件可用于适应身体的困难区域，并测量脉搏速率、氧饱和度、血流量、癌症生物指标和其它生物特征的鉴定。

这项研究发表发表在《Nature Microsystems & Nanoengineering》(www.doi.org/10.1038/s41378-020-00186-2).