近日，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院沈華教授課題組成功利用自研的懸浮式投影光固化3D打印方法制備出了一種高效、穩(wěn)定的新型生物光接口—漸變折射率水凝膠光纖，為腦機(jī)接口、光遺傳學(xué)和光醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新選擇。研究成果以《A Promising Optical Bio-Interface: Graded-Index Hydrogel Fiber》為題在光學(xué)頂尖期刊Advanced Optical Materials上發(fā)表。南京理工大學(xué)為論文第一通訊單位，沈華教授為論文通訊作者，博士生卓烜為第一作者。

將科技與生命融合是科研界的永恒主題，而交互接口則是人機(jī)/生機(jī)融合的關(guān)鍵橋梁，一種安全、原位、高效與穩(wěn)定的光交互接口是現(xiàn)代科技手段挑戰(zhàn)生命科學(xué)高峰的重要手段。近年來，水凝膠材料由于具有良好的生物相容性和力學(xué)特征已成為前沿?zé)狳c(diǎn)生物基材，基于水凝膠制備的光纖相較于傳統(tǒng)石英或塑料光纖更安全，更適合在體植入使用，因此水凝膠光纖被譽(yù)為光纖技術(shù)最有潛力突破生物體“最后一米”限制的生物光接口器件。但是，水凝膠材料不僅本征損耗高，對光信號的傳輸效率低；而且柔軟、折射率低，致使水凝膠光纖在體應(yīng)用時(shí)，不可避免的遭受器官的應(yīng)力彎折損耗和高折射率組織環(huán)境的折射損耗。因此，如何提高水凝膠光纖的光學(xué)傳輸表現(xiàn)，使之成為高效、穩(wěn)定的生物光接口引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。 

投影式懸浮光固化3D打印制備水凝膠光纖

針對這些問題，沈華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種具有漸變折射率調(diào)制分布的水凝膠光纖作為生物光接口。團(tuán)隊(duì)通過對水凝膠基光纖的導(dǎo)波理論分析和有限元仿真，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出了具有光線“自聚焦”效果的漸變折射率分布水凝膠光纖，使光纖獲得了強(qiáng)大的光場束縛能力，有效提高了傳輸效率，以及對彎折和折射損耗的抵抗能力。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)這種帶有折射率調(diào)制的水凝膠光纖的制備，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套投影式懸浮光固化3D打印系統(tǒng)。該3D打印具有兩大特點(diǎn)：基于DLP投影的面陣式快速打印技術(shù)，支持亞微米級構(gòu)型分辨率和可調(diào)制型交聯(lián)光光場，能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠光纖靈活的幾何結(jié)構(gòu)塑形和折射率分布調(diào)制；高效的“懸浮”式光交聯(lián)技術(shù)使水凝膠能夠發(fā)生持續(xù)的增材固化，特別適合水凝膠光纖這類對軸向連續(xù)性和均勻性要求較高的線性光波導(dǎo)的制備。基于該3D打印方法制備的漸變折射率型水凝膠光纖實(shí)現(xiàn)了世界最高水平的光學(xué)傳輸表現(xiàn)（光學(xué)損耗0.25 dB/cm，組織透射率98%，彎曲損耗0.24 dB/90°）。并且，團(tuán)隊(duì)展示了該水凝膠光纖型生物光接口在腦機(jī)接口、光遺傳學(xué)中可能的應(yīng)用場景，顯示出了較高的交互效率和抗擾動能力，為下一代人機(jī)/生機(jī)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展提供重要接口器件的支撐。 

水凝膠光纖型生物光接口應(yīng)用

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和中科院光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的支持。

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