Maysam Chamanzar de la Universidad Carnegie Mellon y su equipo han inventado una plataforma óptica que probablemente se convertirá en el nuevo estándar en biointerfaces ópticas. Ha etiquetado este nuevo campo de tecnología óptica como "fotónica de parileno", como se demostró en un artículo reciente en Nature Microsystems y Nanoingeniería .
Existe una demanda creciente e insatisfecha de sistemas ópticos para aplicaciones biomédicas. Se necesitan herramientas ópticas miniaturizadas y flexibles para permitir la obtención de imágenes y la manipulación ambulatoria y bajo demanda confiables de eventos biológicos en el cuerpo. La tecnología fotónica integrada ha evolucionado principalmente en torno al desarrollo de dispositivospara las comunicaciones ópticas. El advenimiento de la fotónica de silicio fue un punto de inflexión para llevar las funcionalidades ópticas al pequeño factor de forma de un chip.
La investigación en este campo tuvo un auge en las últimas dos décadas. Sin embargo, el silicio es un material peligrosamente rígido para interactuar con los tejidos blandos en aplicaciones biomédicas. Esto aumenta el riesgo de que los pacientes sufran daños en los tejidos y cicatrices, especialmente debido a la ondulación detejido blando contra el dispositivo inflexible causado por la respiración y otros procesos.
Chamanzar, profesor asistente de Ingeniería Eléctrica e Informática ECE e Ingeniería Biomédica, vio la urgente necesidad de una plataforma óptica adaptada a las biointerfaces con capacidad óptica y flexibilidad. Su solución, Parileno fotónica, es la primera biocompatible y completamente flexibleplataforma fotónica integrada jamás creada.
Para crear esta nueva clase de material fotónico, el laboratorio de Chamanzar diseñó guías de ondas ópticas ultracompactas fabricando silicona PDMS, un polímero orgánico con un índice de refracción bajo, alrededor de un núcleo de parileno C, un polímero con un índice de refracción mucho más alto. El contrasteEl índice de refracción permite que la guía de ondas canalice la luz de manera efectiva, mientras que los materiales en sí permanecen extremadamente flexibles. El resultado es una plataforma que es flexible, puede operar en un amplio espectro de luz y tiene solo 10 micrones de espesor, aproximadamente 1/10 delgrosor de un cabello humano.
"Estábamos usando parileno C como un revestimiento de aislamiento biocompatible para dispositivos eléctricos implantables, cuando noté que este polímero es ópticamente transparente. Sentí curiosidad por sus propiedades ópticas e hice algunas mediciones básicas", dijo Chamanzar. "Encontré que el parilenoC tiene propiedades ópticas excepcionales. Este fue el comienzo de pensar en la fotónica de parileno como una nueva dirección de investigación ".
El diseño de Chamanzar se creó teniendo en cuenta la estimulación neuronal, lo que permite la estimulación dirigida y el monitoreo de neuronas específicas dentro del cerebro. Para esto, es crucial la creación de microespejos incrustados de 45 grados. Mientras que las biointerfaces ópticas anteriores han estimulado una gran franja de latejido cerebral más allá de lo que podría medirse, estos microespejos crean una estrecha superposición entre el volumen que se estimula y el volumen registrado. Estos microespejos también permiten la integración de fuentes de luz externas con las guías de ondas de parileno.
La alumna de ECE Maya Lassiter MS, '19, que participó en el proyecto, dijo: "El empaque óptico es un problema interesante de resolver porque las mejores soluciones deben ser prácticas. Pudimos empaquetar nuestras guías de ondas fotónicas de parileno confuentes de luz discretas que utilizan métodos de embalaje accesibles, para realizar un dispositivo compacto. "
Las aplicaciones de la fotónica de parileno van mucho más allá de la estimulación neural óptica y algún día podrían reemplazar las tecnologías actuales en prácticamente todas las áreas de las biointerfaces ópticas. Estos diminutos dispositivos ópticos flexibles se pueden insertar en el tejido para obtener imágenes o manipulaciones a corto plazo. Puedentambién se pueden utilizar como dispositivos implantables permanentes para intervenciones terapéuticas y de seguimiento a largo plazo.
Además, Chamanzar y su equipo están considerando posibles usos en dispositivos portátiles. Los dispositivos fotónicos de parileno colocados en la piel podrían usarse para adaptarse a áreas difíciles del cuerpo y medir la frecuencia del pulso, la saturación de oxígeno, el flujo sanguíneo, los biomarcadores del cáncer y otros datos biométricos.A medida que se exploren más opciones para la terapéutica óptica, como el tratamiento con láser para las células cancerosas, las aplicaciones para una biointerfaz óptica más versátil seguirán creciendo.
"El alto índice de contraste entre Parileno C y PDMS permite una baja pérdida de curvatura", dijo Jay Reddy, candidato a doctorado en ECE, que ha estado trabajando en este proyecto. "Estos dispositivos conservan el 90% de eficiencia ya que están fuertemente dobladosa un radio de casi medio milímetro, ajustándose estrechamente a características anatómicas como la cóclea y los haces nerviosos ".
Otra posibilidad poco convencional para la fotónica de parileno es en realidad en los enlaces de comunicación, lo que hace que toda la búsqueda de Chamanzar complete el círculo. Las interconexiones actuales de chip a chip generalmente usan fibras ópticas bastante inflexibles, y cualquier área en la que se necesite flexibilidad requiere transferir las señales a losdominio, lo que limita significativamente el ancho de banda. Sin embargo, los cables fotónicos flexibles de parileno proporcionan una solución prometedora de alto ancho de banda que podría reemplazar ambos tipos de interconexiones ópticas y permitir avances en el diseño de interconexiones ópticas.
"Hasta ahora, hemos demostrado guías de ondas fotónicas de parileno totalmente flexibles y de baja pérdida con microespejos integrados que permiten el acoplamiento de luz de entrada / salida en una amplia gama de longitudes de onda ópticas", dijo Chamanzar. "En el futuro, otros dispositivos ópticos comoEn esta plataforma también se pueden implementar microrresonadores e interferómetros para permitir una amplia gama de nuevas aplicaciones ".
Con la reciente publicación de Chamanzar que marca el debut de la fotónica de Parylene, es imposible decir qué tan lejos podrían ser los efectos de esta tecnología. Sin embargo, es más que probable que las implicaciones de este trabajo marquen un nuevo capítulo en el desarrollo de la ópticabiointerfaces, similar a lo que la fotónica de silicio permitió en las comunicaciones y el procesamiento ópticos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon . Original escrito por Dan Carroll. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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