La photonique au parylène permet de futures biointerfaces optiques – Technoguide

Maysam Chamanzar de l’Université Carnegie Mellon et son équipe ont inventé une plate-forme optique qui deviendra probablement la nouvelle norme en matière de biointerfaces optiques. Il a appelé ce nouveau domaine de la technologie optique «photonique au parylène», démontré dans un article récent dans Nature Microsystems and Nanoengineering.

Il existe une demande croissante et non satisfaite de systèmes optiques pour les applications biomédicales. Des outils optiques miniaturisés et flexibles sont nécessaires pour permettre une imagerie et une manipulation ambulatoires et à la demande fiables d’événements biologiques dans le corps. La technologie photonique intégrée a principalement évolué autour du développement de dispositifs pour les communications optiques. L’avènement de la photonique sur silicium a été un tournant pour amener les fonctionnalités optiques au petit facteur de forme d’une puce.

La recherche dans ce domaine a explosé au cours des deux dernières décennies. Cependant, le silicium est un matériau dangereusement rigide pour interagir avec les tissus mous dans les applications biomédicales. Cela augmente le risque pour les patients de subir des lésions tissulaires et des cicatrices, en particulier en raison de l’ondulation des tissus mous contre le dispositif rigide causée par la respiration et d’autres processus.

Chamanzar, professeur adjoint de génie électrique et informatique (ECE) et de génie biomédical, a vu le besoin pressant d’une plate-forme optique adaptée aux biointerfaces avec à la fois capacité optique et flexibilité. Sa solution, Parylene photonics, est la première plateforme photonique intégrée biocompatible et entièrement flexible jamais conçue.

Pour créer cette nouvelle classe de matériaux photoniques, le laboratoire de Chamanzar a conçu des guides d’ondes optiques ultracompacts en fabriquant du silicone (PDMS), un polymère organique à faible indice de réfraction, autour d’un noyau de Parylène C, un polymère avec un indice de réfraction beaucoup plus élevé. Le contraste de l’indice de réfraction permet au guide d’ondes de canaliser efficacement la lumière, tandis que les matériaux eux-mêmes restent extrêmement souples. Le résultat est une plate-forme qui est flexible, peut fonctionner sur un large spectre de lumière et n’a que 10 microns d’épaisseur – environ 1/10 de l’épaisseur d’un cheveu humain.

«Nous utilisions le Parylène C comme revêtement isolant biocompatible pour les dispositifs électriques implantables, quand j’ai remarqué que ce polymère est optiquement transparent. Je suis devenu curieux de ses propriétés optiques et j’ai fait quelques mesures de base», a déclaré Chamanzar. “J’ai découvert que le Parylène C avait des propriétés optiques exceptionnelles. C’était le début de la réflexion sur la photonique du Parylène comme une nouvelle direction de recherche.”

La conception de Chamanzar a été créée avec la stimulation neurale à l’esprit, permettant une stimulation ciblée et la surveillance de neurones spécifiques dans le cerveau. La création de micromiroirs intégrés à 45 degrés est cruciale à cet égard. Alors que les biointerfaces optiques antérieures ont stimulé une large bande de tissu cérébral au-delà de ce qui pouvait être mesuré, ces micromiroirs créent un chevauchement étroit entre le volume stimulé et le volume enregistré. Ces micromiroirs permettent également l’intégration de sources lumineuses externes avec les guides d’ondes Parylène.

Maya Lassiter, ancienne élève de la CEE, qui était impliquée dans le projet, a déclaré: «L’emballage optique est un problème intéressant à résoudre car les meilleures solutions doivent être pratiques. Nous avons pu emballer nos guides d’ondes photoniques Parylene avec une lumière discrète sources utilisant des méthodes de conditionnement accessibles, pour réaliser un appareil compact. “

Les applications de la photonique au parylène vont bien au-delà de la stimulation neurale optique, et pourraient un jour remplacer les technologies actuelles dans pratiquement tous les domaines des biointerfaces optiques. Ces minuscules dispositifs optiques flexibles peuvent être insérés dans le tissu pour une imagerie ou une manipulation à court terme. Ils peuvent également être utilisés comme dispositifs implantables permanents pour la surveillance à long terme et les interventions thérapeutiques.

De plus, Chamanzar et son équipe envisagent des utilisations possibles dans les appareils portables. Les dispositifs photoniques au parylène placés sur la peau pourraient être utilisés pour se conformer aux zones difficiles du corps et mesurer le pouls, la saturation en oxygène, le flux sanguin, les biomarqueurs du cancer et d’autres données biométriques. Au fur et à mesure que d’autres options pour la thérapeutique optique sont explorées, telles que le traitement au laser pour les cellules cancéreuses, les applications d’une biointerface optique plus polyvalente ne feront que croître.

«Le contraste d’indice élevé entre le Parylène C et le PDMS permet une faible perte de courbure», a déclaré ECE Ph.D. candidat Jay Reddy, qui a travaillé sur ce projet. “Ces dispositifs conservent une efficacité de 90% car ils sont fortement pliés jusqu’à un rayon de près d’un demi-millimètre, se conformant étroitement aux caractéristiques anatomiques telles que la cochlée et les faisceaux nerveux.”

Une autre possibilité non conventionnelle pour la photonique au Parylène réside en fait dans les liens de communication, amenant toute la poursuite de Chamanzar à boucler la boucle. Les interconnexions puce à puce actuelles utilisent généralement des fibres optiques plutôt rigides, et tout domaine dans lequel une flexibilité est nécessaire nécessite le transfert des signaux vers le domaine électrique, ce qui limite considérablement la bande passante. Les câbles photoniques flexibles Parylene, cependant, fournissent une solution prometteuse à large bande passante qui pourrait remplacer les deux types d’interconnexions optiques et permettre des avancées dans la conception d’interconnexions optiques.

“Jusqu’à présent, nous avons démontré des guides d’ondes photoniques Parylène à faibles pertes et entièrement flexibles avec des micromiroirs intégrés qui permettent le couplage de la lumière d’entrée / sortie sur une large gamme de longueurs d’onde optiques”, a déclaré Chamanzar. «À l’avenir, d’autres dispositifs optiques tels que des microrésonateurs et des interféromètres pourront également être mis en œuvre dans cette plate-forme pour permettre toute une gamme de nouvelles applications.

Avec la récente publication de Chamanzar marquant les débuts de la photonique au parylène, il est impossible de dire à quel point les effets de cette technologie pourraient être. Cependant, les implications de ce travail sont plus que susceptibles de marquer un nouveau chapitre dans le développement des biointerfaces optiques, similaire à ce que la photonique sur silicium a permis dans les communications et le traitement optiques.

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