南京理工在3D打印生物光纖研究中獲重要進展

來源：光行天下

南極熊獲悉，南京理工大學電子工程與光電技術學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，為腦機接口、光遺傳學和光醫(yī)療等領域的發(fā)展提供了新選擇。研究成果以《A Promising Optical Bio-Interface: Graded-Index Hydrogel Fiber》為題在光學頂尖期刊Advanced Optical Materials上發(fā)表。南京理工大學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/生機融合的關鍵橋梁，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特征已成為前沿熱點生物基材，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為光纖技術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用時，不可避免的遭受器官的應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傳輸表現(xiàn)，使之成為高效、穩(wěn)定的生物光接口引起了學術界的廣泛關注。

投影式懸浮光固化3D打印制備水凝膠光纖
針對這些問題，沈華教授團隊提出了一種具有漸變折射率調制分布的水凝膠光纖作為生物光接口。團隊通過對水凝膠基光纖的導波理論分析和有限元仿真，設計并優(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，為實現(xiàn)這種帶有折射率調制的水凝膠光纖的制備，團隊自主研發(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：基于DLP投影的面陣式快速打印技術，支持亞微米級構型分辨率和可調制型交聯(lián)光光場，能夠實現(xiàn)水凝膠光纖靈活的幾何結構塑形和折射率分布調制；高效的“懸浮”式光交聯(lián)技術使水凝膠能夠發(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現(xiàn)了世界最高水平的光學傳輸表現(xiàn)（光學損耗0.25dB/cm，組織透射率98%，彎曲損耗0.24dB/90°）。并且，團隊展示了該水凝膠光纖型生物光接口在腦機接口、光遺傳學中可能的應用場景，顯示出了較高的交互效率和抗擾動能力，為下一代人機/生機互聯(lián)技術的發(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用

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和中科院光學系統(tǒng)先進制造技術重點實驗室開放基金的支持。
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