Maysam Chamanzar de l'Université Carnegie Mellon et son équipe ont inventé une plate-forme optique qui deviendra probablement la nouvelle norme dans les biointerfaces optiques. Il a baptisé ce nouveau domaine de la technologie optique « photonique au parylène, " démontré dans un article récent en Microsystèmes de la nature et nano-ingénierie .

Il existe une demande croissante et non satisfaite de systèmes optiques pour des applications biomédicales. Des outils optiques miniaturisés et flexibles sont nécessaires pour permettre une imagerie et une manipulation ambulatoires et à la demande fiables des 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 marqué un tournant dans l'introduction de fonctionnalités optiques dans le 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 inflexible causée par la respiration et d'autres processus.

Chamanzar, professeur assistant en génie électrique et informatique (ECE) et en génie biomédical, a vu le besoin pressant d'une plate-forme optique adaptée aux biointerfaces avec à la fois des capacités optiques et de la flexibilité. Sa solution, photonique au parylène, est la première plate-forme photonique intégrée biocompatible et entièrement flexible jamais réalisée.

Pour créer cette nouvelle classe de matériau photonique, 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 diriger efficacement la lumière, tandis que les matériaux eux-mêmes restent extrêmement souples. Le résultat est une plate-forme flexible, peut fonctionner sur un large spectre de lumière, et ne mesure que 10 microns d'épaisseur, soit 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 trouvé que le parylène C a des propriétés optiques exceptionnelles. C'était le début de la réflexion sur la photonique au parylène comme une nouvelle direction de recherche."

Le design de Chamanzar a été créé en pensant à la stimulation neuronale, permettant une stimulation et une surveillance ciblées de neurones spécifiques dans le cerveau. Crucial pour cela, est la création de micromiroirs intégrés à 45 degrés. 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 l'ECE (MS, '19), qui a participé au projet, mentionné, « 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 Parylène avec des sources lumineuses discrètes en utilisant des méthodes d'emballage accessibles, pour réaliser un appareil compact."

Les applications de la photonique au parylène vont bien au-delà de la stimulation neuronale optique, et pourrait 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.

En outre, Chamanzar et son équipe envisagent des utilisations possibles dans les wearables. Les dispositifs photoniques au parylène placés sur la peau pourraient être utilisés pour se conformer aux zones difficiles du corps et mesurer la fréquence du pouls, Saturation d'oxygène, débit sanguin, biomarqueurs du cancer, et d'autres données biométriques. Au fur et à mesure que d'autres options de thérapie optique sont explorées, comme 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 Jay Reddy, candidat au doctorat à l'ECE, qui a travaillé sur ce projet. "Ces appareils 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 liaisons de communication, boucler la boucle de la poursuite de Chamanzar. Les interconnexions puce à puce actuelles utilisent généralement des fibres optiques plutôt rigides, et tout domaine dans lequel la flexibilité est nécessaire nécessite le transfert des signaux vers le domaine électrique, ce qui limite considérablement la bande passante. Câbles photoniques flexibles en parylène, cependant, fournir 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.

"Jusque là, nous avons démontré une faible perte, des guides d'ondes photoniques en parylène entièrement flexibles avec des micromiroirs intégrés qui permettent le couplage de la lumière entrée/sortie sur une large gamme de longueurs d'onde optiques, " dit Chamanzar. " A l'avenir, d'autres dispositifs optiques tels que des microrésonateurs et des interféromètres peuvent 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 Parylène, il est impossible de dire jusqu'où pourraient aller les effets de cette technologie. 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.