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 la tecnología óptica como "fotónica de parileno, "demostrado en un artículo reciente en Microsistemas de la naturaleza 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 dispositivos para 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 daño tisular y cicatrices. especialmente debido a la ondulación del tejido blando contra el dispositivo inflexible causado por la respiración y otros procesos.

Chamanzar, profesor adjunto de Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE) e Ingeniería Biomédica, vio la urgente necesidad de una plataforma óptica adaptada a biointerfaces con capacidad óptica y flexibilidad. Su solución Fotónica de parileno, es la primera plataforma fotónica integrada biocompatible y totalmente flexible 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 contraste en el índice de refracción permite que la guía de ondas canalice la luz de manera efectiva, mientras que los materiales en sí siguen siendo extremadamente flexibles. El resultado es una plataforma flexible, puede operar sobre un amplio espectro de luz, y tiene solo 10 micrones de grosor, aproximadamente 1/10 del grosor de un cabello humano.

"Utilizábamos Parileno C como revestimiento aislante 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." Descubrí que el parileno C 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 pensando en la estimulación neuronal, permitiendo la estimulación dirigida y el monitoreo de neuronas específicas dentro del cerebro. Crucial para esto, es la creación de microespejos empotrados de 45 grados. Si bien las biointerfaces ópticas anteriores han estimulado una gran franja del tejido cerebral más allá de lo que podría medirse, estos microespejos crean una estrecha superposición entre el volumen que se estimula y el volumen que se registra. Estos microespejos también permiten la integración de fuentes de luz externas con las guías de ondas de parileno.

Maya Lassiter, alumna de ECE (MS, '19), quién estuvo involucrado en el proyecto, dijo, "El envasado óptico es un problema interesante de resolver porque las mejores soluciones deben ser prácticas. Pudimos envasar nuestras guías de ondas fotónicas de parileno con fuentes de luz discretas utilizando métodos de envasado accesibles, para realizar un dispositivo compacto ".

Las aplicaciones de la fotónica de parileno van mucho más allá de la estimulación neural óptica, y podría algún día 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 manipularlos a corto plazo. También se pueden utilizar como dispositivos implantables permanentes para intervenciones terapéuticas y de seguimiento a largo plazo.

Adicionalmente, Chamanzar y su equipo están considerando posibles usos en wearables. Los dispositivos fotónicos de parileno colocados en la piel podrían usarse para adaptarse a áreas difíciles del cuerpo y medir la frecuencia del pulso. saturación de oxígeno, el flujo de sangre, biomarcadores de cáncer, y otros datos biométricos. A medida que se exploran 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 el candidato a doctorado en ECE Jay Reddy, que ha estado trabajando en este proyecto. "Estos dispositivos conservan el 90% de la eficiencia, ya que están estrechamente doblados hasta un radio de casi medio milímetro, se ajusta perfectamente a las características anatómicas como la cóclea y los haces de nervios ".

Otra posibilidad poco convencional para la fotónica de parileno está en los enlaces de comunicación, trayendo el círculo completo de persecución de Chamanzar. Las interconexiones actuales de chip a chip suelen utilizar fibras ópticas bastante inflexibles, y cualquier área en la que se necesite flexibilidad requiere transferir las señales al dominio eléctrico, lo que limita significativamente el ancho de banda. Cables fotónicos de parileno flexible, sin embargo, proporcionar una solución prometedora de gran ancho de banda que podría reemplazar ambos tipos de interconexiones ópticas y permitir avances en el diseño de interconexiones ópticas.

"Hasta aquí, hemos demostrado bajas pérdidas, guías de ondas fotónicas de parileno totalmente flexibles 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 como microrresonadores e interferómetros también se pueden implementar en esta plataforma para permitir una amplia gama de nuevas aplicaciones ".

Con la reciente publicación de Chamanzar que marca el debut de la fotónica de parileno, 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 biointerfaces ópticas, similar a lo que la fotónica de silicio permitió en las comunicaciones y el procesamiento ópticos.