南京理工在3D打印生物光纤研究中获重要进展

近日，南京理工大学电子工程与光电技术学院沈华教授课题组成功利用自研的悬浮式投影光固化3D打印方法制备出了一种高效、稳定的新型生物光接口—渐变折射率水凝胶光纤，为脑机接口、光遗传学和光医疗等领域的发展提供了新选择。研究成果以《A Promising Optical Bio-Interface: Graded-Index Hydrogel Fiber》为题在光学顶尖期刊Advanced Optical Materials上发表。南京理工大学为论文第一通讯单位，沈华教授为论文通讯作者，博士生卓烜为第一作者。

将科技与生命融合是科研界的永恒主题，而交互接口则是人机/生机融合的关键桥梁，一种安全、原位、高效与稳定的光交互接口是现代科技手段挑战生命科学高峰的重要手段。近年来，水凝胶材料由于具有良好的生物相容性和力学特征已成为前沿热点生物基材，基于水凝胶制备的光纤相较于传统石英或塑料光纤更安全，更适合在体植入使用，因此水凝胶光纤被誉为光纤技术最有潜力突破生物体“最后一米”限制的生物光接口器件。但是，水凝胶材料不仅本征损耗高，对光信号的传输效率低；而且柔软、折射率低，致使水凝胶光纤在体应用时，不可避免的遭受器官的应力弯折损耗和高折射率组织环境的折射损耗。因此，如何提高水凝胶光纤的光学传输表现，使之成为高效、稳定的生物光接口引起了学术界的广泛关注。 

投影式悬浮光固化3D打印制备水凝胶光纤

针对这些问题，沈华教授团队提出了一种具有渐变折射率调制分布的水凝胶光纤作为生物光接口。团队通过对水凝胶基光纤的导波理论分析和有限元仿真，设计并优化出了具有光线“自聚焦”效果的渐变折射率分布水凝胶光纤，使光纤获得了强大的光场束缚能力，有效提高了传输效率，以及对弯折和折射损耗的抵抗能力。同时，为实现这种带有折射率调制的水凝胶光纤的制备，团队自主研发了一套投影式悬浮光固化3D打印系统。该3D打印具有两大特点：基于DLP投影的面阵式快速打印技术，支持亚微米级构型分辨率和可调制型交联光光场，能够实现水凝胶光纤灵活的几何结构塑形和折射率分布调制；高效的“悬浮”式光交联技术使水凝胶能够发生持续的增材固化，特别适合水凝胶光纤这类对轴向连续性和均匀性要求较高的线性光波导的制备。基于该3D打印方法制备的渐变折射率型水凝胶光纤实现了世界最高水平的光学传输表现（光学损耗0.25 dB/cm，组织透射率98%，弯曲损耗0.24 dB/90°）。并且，团队展示了该水凝胶光纤型生物光接口在脑机接口、光遗传学中可能的应用场景，显示出了较高的交互效率和抗扰动能力，为下一代人机/生机互联技术的发展提供重要接口器件的支撑。 

水凝胶光纤型生物光接口应用

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和中科院光学系统先进制造技术重点实验室开放基金的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1002/adom.202301613