Maysam Chamanzar, da Carnegie Mellon University, e sua equipe inventaram uma plataforma óptica que provavelmente se tornará o novo padrão em biointerfaces ópticas. Ele chamou esse novo campo da tecnologia óptica de "fotônica de parileno, "demonstrado em um artigo recente em Nature Microsystems and Nanoengineering .

Há uma demanda crescente e não atendida por sistemas ópticos para aplicações biomédicas. Ferramentas ópticas miniaturizadas e flexíveis são necessárias para permitir imagem ambulatorial confiável e sob demanda e manipulação de eventos biológicos no corpo. A tecnologia fotônica integrada evoluiu principalmente em torno do desenvolvimento de dispositivos para comunicações ópticas. O advento da fotônica de silício foi um momento decisivo para trazer funcionalidades ópticas para o pequeno fator de forma de um chip.

A pesquisa neste campo cresceu nas últimas duas décadas. Contudo, o silício é um material perigosamente rígido para interagir com os tecidos moles em aplicações biomédicas. Isso aumenta o risco de os pacientes sofrerem danos nos tecidos e cicatrizes, especialmente devido à ondulação dos tecidos moles contra o dispositivo inflexível causada pela respiração e outros processos.

Chamanzar, um Professor Assistente de Engenharia Elétrica e de Computação (ECE) e Engenharia Biomédica, viu a necessidade urgente de uma plataforma óptica adaptada para biointerfaces com capacidade e flexibilidade óptica. Sua solução, Fotônica de parileno, é a primeira plataforma fotônica integrada biocompatível e totalmente flexível já feita.

Para criar esta nova classe de material fotônico, O laboratório de Chamanzar projetou guias de ondas ópticas ultracompactas fabricando silicone (PDMS), um polímero orgânico com um baixo índice de refração, em torno de um núcleo de Parileno C, um polímero com um índice de refração muito mais alto. O contraste no índice de refração permite que o guia de onda canalize a luz de forma eficaz, enquanto os próprios materiais permanecem extremamente flexíveis. O resultado é uma plataforma flexível, pode operar em um amplo espectro de luz, e tem apenas 10 mícrons de espessura - cerca de 1/10 da espessura de um cabelo humano.

"Estávamos usando Parileno C como um revestimento de isolamento biocompatível para dispositivos elétricos implantáveis, quando percebi que este polímero é opticamente transparente. Fiquei curioso sobre suas propriedades ópticas e fiz algumas medições básicas, "disse Chamanzar." Eu descobri que o Parileno C tem propriedades ópticas excepcionais. Este foi o início do pensamento sobre a fotônica de parileno como uma nova direção de pesquisa. "

O design de Chamanzar foi criado com a estimulação neural em mente, permitindo estimulação direcionada e monitoramento de neurônios específicos dentro do cérebro. Crucial para isso, é a criação de micro-espelhos embutidos de 45 graus. Embora as biointerfaces ópticas anteriores tenham estimulado uma grande faixa do tecido cerebral além do que poderia ser medido, esses micro-espelhos criam uma sobreposição estreita entre o volume que está sendo estimulado e o volume gravado. Esses micro-espelhos também permitem a integração de fontes de luz externas com os guias de onda de Parileno.

Aluna da ECE Maya Lassiter (MS, '19), quem estava envolvido no projeto, disse, "O empacotamento óptico é um problema interessante de resolver porque as melhores soluções precisam ser práticas. Pudemos empacotar nossos guias de onda fotônicos de parileno com fontes de luz discretas usando métodos de empacotamento acessíveis, para realizar um dispositivo compacto. "

As aplicações da fotônica de parileno vão muito além da estimulação neural óptica, e poderia um dia substituir as tecnologias atuais em praticamente todas as áreas das biointerfaces ópticas. Esses minúsculos dispositivos ópticos flexíveis podem ser inseridos no tecido para imagens ou manipulação de curto prazo. Eles também podem ser usados ​​como dispositivos implantáveis ​​permanentes para monitoramento de longo prazo e intervenções terapêuticas.

Adicionalmente, Chamanzar e sua equipe estão considerando possíveis usos em wearables. Dispositivos fotônicos de parileno colocados na pele podem ser usados ​​para conformar áreas difíceis do corpo e medir a taxa de pulso, saturação de oxigênio, fluxo sanguíneo, biomarcadores de câncer, e outros dados biométricos. À medida que outras opções para terapêutica óptica são exploradas, como tratamento a laser para células cancerosas, as aplicações para uma biointerface ótica mais versátil só continuarão a crescer.

"O alto índice de contraste entre Parileno C e PDMS permite uma baixa perda de curvatura, "disse o candidato a Ph.D. da ECE Jay Reddy, quem está trabalhando neste projeto. "Esses dispositivos mantêm 90% de eficiência, pois são dobrados firmemente em um raio de quase meio milímetro, ajustando-se firmemente às características anatômicas, como a cóclea e os feixes de nervos. "

Outra possibilidade não convencional para fotônica de parileno é, na verdade, nos links de comunicação, trazendo todo o círculo de perseguição de Chamanzar. As atuais interconexões chip a chip geralmente usam fibras ópticas bastante inflexíveis, e qualquer área em que a flexibilidade é necessária requer a transferência dos sinais para o domínio elétrico, o que limita significativamente a largura de banda. Cabos fotônicos de parileno flexíveis, Contudo, fornecer uma solução promissora de alta largura de banda que poderia substituir os dois tipos de interconexões ópticas e permitir avanços no design de interconexões ópticas.

"Até aqui, demonstramos baixa perda, guias de ondas fotônicas de parileno totalmente flexíveis com microespelhos incorporados que permitem o acoplamento de luz de entrada / saída em uma ampla faixa de comprimentos de onda ópticos, "disse Chamanzar." No futuro, outros dispositivos ópticos, como microrressonadores e interferômetros também podem ser implementados nesta plataforma para permitir uma gama completa de novas aplicações. "

Com a recente publicação de Chamanzar marcando a estreia da fotônica de parileno, é impossível dizer quão abrangentes podem ser os efeitos dessa tecnologia. Contudo, as implicações deste trabalho são mais do que prováveis ​​de marcar um novo capítulo no desenvolvimento de biointerfaces ópticas, semelhante ao que a fotônica de silício possibilitou nas comunicações e no processamento óptico.