卡内基梅隆大学的丹·卡罗尔 被神经元包围的聚对二甲苯光子波导
学分:卡内基梅隆大学工程学院 卡内基梅隆大学的梅萨姆·查曼扎尔和他的团队已经发明了一种光学平台，这种平台可能会成为光学生物接口的新标准
他将这一新的光学技术领域命名为“聚对二甲苯光子学”，在《自然微系统和纳米工程》杂志最近的一篇论文中进行了论证
对用于生物医学应用的光学系统的需求日益增长且尚未得到满足
需要小型化和灵活的光学工具来实现可靠的移动和按需成像以及体内生物事件的处理
集成光子技术主要围绕开发光通信设备而发展
硅光子学的出现是一个转折点，将光学功能带到了芯片的小尺寸上
这一领域的研究在过去几十年中蓬勃发展
然而，在生物医学应用中，硅是一种与软组织相互作用的危险的刚性材料
这增加了患者遭受组织损伤和结疤的风险，特别是由于呼吸和其他过程引起的软组织相对于非柔性装置的波动
电子与计算机工程(ECE)和生物医学工程助理教授查曼扎尔(Chamanzar)认为，迫切需要一种适合生物界面的光学平台，既具有光学能力，又具有灵活性
他的解决方案，聚对二甲苯光子学，是有史以来第一个生物相容和完全灵活的集成光子平台
查曼扎拿着他团队的设备
学分:卡内基梅隆大学工程学院来源:工程学院 为了创造这种新的光子材料类别，查曼扎尔的实验室通过在聚对二甲苯C(一种折射率高得多的聚合物)的核心周围制造硅树脂(PDMS)，一种低折射率的有机聚合物，来设计超紧凑的光波导
折射率的对比使得波导能够有效地传输光，而材料本身仍然非常柔韧
其结果是一个灵活的平台，可以在宽光谱范围内工作，厚度只有10微米——大约是人类头发厚度的1/10
“当我注意到这种聚合物是光学透明的时，我们使用聚对二甲苯C作为植入式电子设备的生物相容性绝缘涂层
我开始对它的光学特性感到好奇，并做了一些基本的测量
“我发现聚对二甲苯具有特殊的光学特性
这是聚对二甲苯光子学作为一个新的研究方向的开始
" Chamanzar的设计考虑到了神经刺激，允许对大脑中特定的神经元进行有针对性的刺激和监控
对此至关重要的是45度嵌入式微镜的创造
虽然先前的光学生物界面已经刺激了超出可测量范围的大部分脑组织，但是这些微镜在被刺激的体积和记录的体积之间产生了紧密的重叠
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
放大的动力波导管
学分:卡内基梅隆大学工程学院 参与该项目的欧洲经委会校友玛雅·拉塞特(19岁)说:“光学包装是一个有趣的问题，因为最好的解决方案必须切实可行
我们能够使用易于使用的封装方法用分立光源封装我们的聚对二甲苯光子波导，以实现紧凑的器件
" 聚对二甲苯光子学的应用范围远远超出了光学神经刺激，有朝一日可能会在光学生物接口的几乎每个领域取代当前的技术
这些微小的柔性光学装置可以插入组织中进行短期成像或操作
它们还可以用作永久性植入装置，用于长期监测和治疗干预
此外，查曼扎尔和他的团队正在考虑可穿戴设备的可能用途
放置在皮肤上的聚对二甲苯光子器件可用于顺应身体的困难区域，并测量脉搏率、氧饱和度、血流、癌症生物标记物和其他生物特征
随着对光学疗法的进一步探索，例如对癌细胞的激光治疗，对更通用的光学生物接口的应用将只会继续增长
手掌中的聚对二甲苯光子波导
学分:卡内基梅隆大学工程学院 “聚对二甲苯C和PDMS之间的高指数对比使得低弯曲损耗成为可能，”欧洲经委会博士说
D
候选人杰伊·雷迪，他一直致力于这个项目
“这些装置保持了90%的效率，因为它们被紧紧地弯曲到几乎半毫米的半径，与耳蜗和神经束等解剖特征紧密一致
" 聚对二甲苯光子学的另一个非常规的可能性实际上是在通信链路中，使查曼扎的整个追求完整的循环
当前的芯片到芯片互连通常使用相当不灵活的光纤，并且任何需要灵活性的区域都需要将信号传输到电域，这极大地限制了带宽
然而，柔性聚对二甲苯光子电缆提供了一种有前途的高带宽解决方案，可以替代两种类型的光互连，并使光互连设计取得进展
波导是柔性的，容易弯曲
学分:工程学院 “到目前为止，我们已经展示了具有嵌入式微镜的低损耗、完全柔性的聚对二甲苯光子波导，能够在很宽的光波长范围内实现输入/输出光耦合，”查曼扎尔说
“将来，微谐振器和干涉仪等其他光学器件也可以在这个平台上实现，从而实现全新的应用领域
" 查曼扎尔最近的出版物标志着聚对二甲苯光子学的首次亮相，很难说这项技术的影响会有多深远
然而，这项工作的含义很可能标志着光学生物接口发展的新篇章，类似于硅光子学在光学通信和处理中的应用
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