Maysam Chamanzar della Carnegie Mellon University e il suo team hanno inventato una piattaforma ottica che probabilmente diventerà il nuovo standard nelle biointerfacce ottiche. Ha etichettato questo nuovo campo della tecnologia ottica "Fotonica parilene, " dimostrato in un recente articolo in Microsistemi naturali e nanoingegneria .

C'è una domanda crescente e insoddisfatta di sistemi ottici per applicazioni biomediche. Sono necessari strumenti ottici miniaturizzati e flessibili per consentire l'imaging e la manipolazione affidabili ambulatoriali e su richiesta di eventi biologici nel corpo. La tecnologia fotonica integrata si è evoluta principalmente attorno allo sviluppo di dispositivi per le comunicazioni ottiche. L'avvento della fotonica del silicio è stato un punto di svolta nel portare funzionalità ottiche al piccolo fattore di forma di un chip.

La ricerca in questo campo è esplosa negli ultimi due decenni. Però, il silicio è un materiale pericolosamente rigido per interagire con i tessuti molli nelle applicazioni biomediche. Ciò aumenta il rischio per i pazienti di subire danni ai tessuti e cicatrici, soprattutto a causa dell'ondulazione dei tessuti molli contro il dispositivo inflessibile causata dalla respirazione e altri processi.

Chamanzar, un Assistant Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica (ECE) e Ingegneria Biomedica, ha visto la pressante necessità di una piattaforma ottica su misura per le biointerfacce con capacità ottica e flessibilità. La sua soluzione, fotonica del parilene, è la prima piattaforma fotonica integrata biocompatibile e completamente flessibile mai realizzata.

Per creare questa nuova classe di materiale fotonico, Il laboratorio di Chamanzar ha progettato guide d'onda ottiche ultracompatte fabbricando silicone (PDMS), un polimero organico a basso indice di rifrazione, intorno a un nucleo di Parylene C, un polimero con un indice di rifrazione molto più alto. Il contrasto nell'indice di rifrazione consente alla guida d'onda di convogliare la luce in modo efficace, mentre i materiali stessi rimangono estremamente flessibili. Il risultato è una piattaforma flessibile, può operare su un ampio spettro di luce, ed è spesso solo 10 micron, circa 1/10 dello spessore di un capello umano.

"Utilizzavamo Parylene C come rivestimento isolante biocompatibile per dispositivi impiantabili elettrici, quando ho notato che questo polimero è otticamente trasparente. Sono diventato curioso delle sue proprietà ottiche e ho fatto alcune misurazioni di base, " ha detto Chamanzar. "Ho scoperto che Parylene C ha proprietà ottiche eccezionali. Questo è stato l'inizio di pensare alla fotonica di Parylene come una nuova direzione di ricerca".

Il design di Chamanzar è stato creato pensando alla stimolazione neurale, consentendo la stimolazione mirata e il monitoraggio di neuroni specifici all'interno del cervello. Fondamentale per questo, è la creazione di microspecchi incorporati a 45 gradi. Mentre le precedenti biointerfacce ottiche hanno stimolato un'ampia fascia di tessuto cerebrale oltre ciò che potrebbe essere misurato, questi microspecchi creano una stretta sovrapposizione tra il volume stimolato e il volume registrato. Questi microspecchi consentono anche l'integrazione di sorgenti luminose esterne con le guide d'onda Parylene.

L'alunna ECE Maya Lassiter (MS, '19), chi è stato coinvolto nel progetto, disse, "L'imballaggio ottico è un problema interessante da risolvere perché le soluzioni migliori devono essere pratiche. Siamo stati in grado di confezionare le nostre guide d'onda fotoniche in Parylene con sorgenti luminose discrete utilizzando metodi di imballaggio accessibili, realizzare un dispositivo compatto."

Le applicazioni per la fotonica del parilene vanno ben oltre la stimolazione neurale ottica, e potrebbe un giorno sostituire le attuali tecnologie praticamente in ogni area delle biointerfacce ottiche. Questi minuscoli dispositivi ottici flessibili possono essere inseriti nel tessuto per l'imaging o la manipolazione a breve termine. Possono anche essere utilizzati come dispositivi impiantabili permanenti per il monitoraggio a lungo termine e interventi terapeutici.

Inoltre, Chamanzar e il suo team stanno valutando possibili usi nei dispositivi indossabili. I dispositivi fotonici parilene posizionati sulla pelle potrebbero essere utilizzati per conformarsi alle aree difficili del corpo e misurare la frequenza del polso, saturazione di ossigeno, flusso sanguigno, biomarcatori del cancro, e altri dati biometrici. Man mano che vengono esplorate ulteriori opzioni per le terapie ottiche, come il trattamento laser per le cellule tumorali, le applicazioni per una biointerfaccia ottica più versatile continueranno a crescere.

"L'alto indice di contrasto tra Parylene C e PDMS consente una bassa perdita di curvatura, ", ha affermato Jay Reddy, candidato al dottorato di ricerca ECE, che ha lavorato a questo progetto. "Questi dispositivi mantengono un'efficienza del 90% poiché sono piegati strettamente fino a un raggio di quasi mezzo millimetro, conformarsi strettamente alle caratteristiche anatomiche come la coclea e i fasci nervosi."

Un'altra possibilità non convenzionale per la fotonica di Parylene è in realtà nei collegamenti di comunicazione, chiudendo il cerchio dell'intero inseguimento di Chamanzar. Le attuali interconnessioni chip-to-chip di solito utilizzano fibre ottiche piuttosto rigide, e qualsiasi area in cui è necessaria flessibilità richiede il trasferimento dei segnali al dominio elettrico, che limita notevolmente la larghezza di banda. Cavi fotonici flessibili in parilene, però, fornire una soluzione promettente ad alta larghezza di banda che potrebbe sostituire entrambi i tipi di interconnessioni ottiche e consentire progressi nella progettazione delle interconnessioni ottiche.

"Finora, abbiamo dimostrato a bassa perdita, guide d'onda fotoniche Parylene completamente flessibili con microspecchi incorporati che consentono l'accoppiamento della luce in ingresso/uscita su un'ampia gamma di lunghezze d'onda ottiche, " disse Chamanzar. "In futuro, anche altri dispositivi ottici come microrisonatori e interferometri possono essere implementati in questa piattaforma per consentire un'intera gamma di nuove applicazioni".

Con la recente pubblicazione di Chamanzar che segna il debutto della fotonica di Parylene, è impossibile dire fino a che punto possano essere di vasta portata gli effetti di questa tecnologia. Però, è più che probabile che le implicazioni di questo lavoro segneranno un nuovo capitolo nello sviluppo delle biointerfacce ottiche, simile a ciò che la fotonica del silicio ha consentito nelle comunicazioni e nell'elaborazione ottica.