劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)将混合聚合物材料与微细加工和3D打印相结合，开发出一种超紧凑、轻便和微创的光电神经植入物，可用于长期研究大脑活动。

LLNL研究人员已将光学功能集成到他们获得专利的柔性薄膜神经植入物中。这些设备能够为神经激活提供光，可用于人机界面或可穿戴技术中的脑部疾病的高分辨率和微创诊断。图片来自JacobLong/LLNL。

新的植入式设备建立在LLNL研究人员称之为POEMS(聚合物光电机械系统)的新平台上，代表着LLNL首次将光学功能集成到其获得专利的柔性薄膜神经植入物中。这些设备能够为神经激活提供光，可用于人机界面或可穿戴技术中的脑部疾病的高分辨率和微创诊断。该作品由MaterialsLetters在线发表，它被刊登在封面上并被选为编辑精选。

“这项工作非常令人兴奋，因为它将我们的现场微制造和增材制造能力结合在一起，并利用它们的优势来设计高精度光电系统，”第一作者KomalKampasi说。“我们方法的主要优势在于，它可以设计出高度灵活、超紧凑和重量轻的可植入微光学器件，其占地面积比当前最先进的技术小一个数量级。我看到我们继续前进并继续向这些方向扩张。”

Kampasi解释说，该技术使用微型激光二极管作为局部光源，代替笨重的光纤电缆，可用于各种生物医学设计需求，从光学传输到光学传感或成像。

与基于半导体的设备相比，以前的基于聚合物的可植入设备的光传输率低于标准，阻碍了它们在微机电系统(MEMS)行业中的使用。然而，基于聚合物科学的最新发展和LLNL在薄膜界面方面多年的进步，实验室研究人员将基于混合聚合物的微波导结合到LLNL的柔性聚酰亚胺基设备上。研究人员说，这种混合聚合物同时具有聚合物和玻璃的光学特性，使其适用于柔性光学器件的设计。

Kampasi解释说，与可能因机械刚度而遭受长期生物相容性问题的硅基半导体器件不同，LLNL的柔性薄膜器件造成的组织损伤最小，是动物模型长期实验的理想选择。

“将混合材料用于薄膜植入物看起来非常有前景，”Kampasi说。“我们希望为光波导寻找更好的材料选择，既能保留我们设备的薄膜特性，如灵活性和寿命，又能提高它们的光学效率。聚合物科学的进步正在以前所未有的速度发展，我们今天拥有比过去更多的材料选择。因此，这是将拼图的各个部分组合在一起，并为我们的应用找到合适的材料。要建立新材料的生物相容性，还有很多工作要做，但目前所有的结果看起来都令人鼓舞。”

为了从电气能力转变为光学能力，实验室研究人员需要在可植入设备中创建波导，以传输光而不是电。使用微加工和3D纳米打印技术，该团队能够直接在柔性基板上和商业光学结构(如激光二极管和光纤)上制造波导。研究人员表示，这种设计灵活性可以补偿光源和光导之间的任何错位，解决光学领域的一个主要问题。

“具有成本效益的光耦合是一个行业挑战，”合著者SusantPatra说。“通过这种方法进行的原位对准可显着降低成本，因为通过蛮力(使用昂贵的对准工具)进行的光学对准可以占组装价格的80%。”

这项工作标志着实验室科学家首次尝试使用实验室微纳米技术中心的洁净室制造光学植入式设备。虽然这些设备尚未在动物身上进行测试，但研究人员在体外进行了加速浸泡测试以及光学和电气设备表征。测试成功验证了该设备的性能，还表明新加入的杂化聚合物可以在动物体内持续至少一年，而随着时间的推移，光透射率仅下降2%至8%，而传统有机聚合物则下降20%至40%，研究人员说。

该团队的下一步是与有兴趣使用这些设备进行光刺激和传感实验的外部合作者合作。其中一个应用是光遗传学，其中动物的脑细胞用光敏蛋白进行基因改造，使它们能够被光激活。研究人员说，科学家可以将LLNL设备插入大脑的任何位置，发出闪光并操纵动物的神经回路，以更好地了解大脑的工作方式或癫痫等疾病发生的原因。

“Komal的工作突出了最先进的可植入神经植入物之外急需的进化改进，”实验室生物工程中心可植入微系统组组长、首席研究员Razi-ulHaque说。“通过建立在LLNL完善的柔性聚合物阵列技术的基础上，我们设计了一种解决方案，可立即扩展我们的神经探针的功能，而不会影响我们的核心灵活性技术。此外，通过POEMS技术平台展示的一系列功能，我们证明了神经植入物与光学能力相结合的未来发展确实是光明的。”

“这是一项全新的技术，需要为实验室进行高度复杂和新颖的工艺开发，”生物工程中心主任ShankarSundaram补充道。“我相信这种能力演示为聚合物光子学开辟了令人兴奋的新可能性，并应用于生物学和医学以外的其他实验室任务。”