南京理工大学は3Dプリントバイオ光ファイバー研究で重要な進歩を遂げた

出典: 光は世界を旅する

南極熊は、南京理工大学電子工学・光電子工学学院の沈華教授の研究グループが、自ら開発した懸垂投影型光硬化3Dプリント法を用いて、効率的で安定した新しいタイプの生物学的光インターフェースである屈折率勾配型ハイドロゲル光ファイバーを作製することに成功したことを知りました。この光ファイバーは、脳コンピューターインターフェース、光遺伝学、光医学の発展に新たな選択肢を提供します。研究結果は、「有望な光学バイオインターフェース：グレーデッドインデックスハイドロゲルファイバー」というタイトルで、トップクラスの光学雑誌「Advanced Optical Materials」に掲載されました。南京理工大学は論文の第一担当部署であり、沈華教授が論文の責任著者であり、博士課程の学生卓玄が第一著者である。

テクノロジーと生命の融合は科学研究コミュニティの永遠のテーマであり、インタラクティブインターフェースは人間と機械/生命の融合の重要な架け橋です。安全で、その場で、効率的で安定した光インタラクティブインターフェースは、現代の科学技術が生命科学の頂点に挑戦するための重要な手段です。近年、ハイドロゲル材料は、その優れた生体適合性と機械的特性により、最先端の注目の生物基板となっています。ハイドロゲルをベースに製造された光ファイバーは、従来の石英やプラスチック光ファイバーよりも安全で、生体内移植に適しています。そのため、ハイドロゲル光ファイバーは、光ファイバー技術における生物の「最後の1メートル」の限界を突破する最も可能性の高い生物光インターフェースデバイスとして高く評価されています。

しかし、ハイドロゲル材料は、光信号の固有損失が高く、伝送効率が低いだけでなく、柔らかく、屈折率が低いため、体内で使用する場合、ハイドロゲル光ファイバーは、臓器の応力曲げ損失や高屈折率組織環境での屈折損失を必然的に受けます。そのため、ハイドロゲル光ファイバーの光伝送性能を向上させ、効率的で安定したバイオ光学インターフェースにする方法が、学界で広く注目を集めています。

投影懸濁光硬化 3D プリントによるハイドロゲル光ファイバーの作成これらの問題に対処するために、Shen Hua 教授のチームは、バイオ光学インターフェースとして、勾配屈折率変調分布を備えたハイドロゲル光ファイバーを提案しました。研究チームは、導波路理論解析とハイドロゲルベースの光ファイバーの有限要素シミュレーションを通じて、光に対する「自己収束」効果を持つ勾配屈折率ハイドロゲル光ファイバーを設計・最適化しました。これにより、光ファイバーは強力な光場結合能力を獲得し、伝送効率と曲げおよび屈折損失に対する抵抗力を効果的に向上させることができます。同時に、この屈折率変調型ハイドロゲル光ファイバーの製造を実現するために、研究チームは投影型懸垂光硬化型3Dプリントシステムを独自に開発しました。この 3D 印刷には、2 つの大きな特徴があります。DLP 投影に基づくエリアアレイ高速印刷技術は、サブミクロンの構成解像度と調整可能な架橋光場をサポートし、ハイドロゲル光ファイバーの柔軟な幾何学的構造形成と屈折率分布調整を実現できます。効率的な「懸濁」光架橋技術により、ハイドロゲルは連続的に添加剤硬化を受けることができ、軸の連続性と均一性に対する要件が高いハイドロゲル光ファイバーなどの線形光導波路の作成に特に適しています。

この3Dプリント法に基づいて作製された屈折率勾配型ハイドロゲル光ファイバーは、世界最高レベルの光伝送性能（光損失0.25dB/cm、組織透過率98%、曲げ損失0.24dB/90°）を達成しました。さらに、研究チームは、脳コンピューターインターフェースと光遺伝学におけるハイドロゲル光ファイバーバイオ光学インターフェースの可能な応用シナリオを実証し、高い相互作用効率と耐妨害機能を示し、次世代の人間とコンピューター/生物の相互接続技術の開発に重要なインターフェースデバイスサポートを提供しました。

△ハイドロゲル繊維型バイオ光学インターフェースの応用この研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、江蘇省自然科学基金、中国科学院光学システム先進製造技術重点実験室開放基金の支援を受けて実施されました。
関連リンク: https://doi.org/10.1002/adom.202301613

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