【摘 要】
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脑神经科学问题探索,以及神经医学诊断和治疗,都依赖生物医疗技术的发展。目前植入式的神经探针是脑神经系统研究的主要工具之一,开发多功能的柔性神经探针是脑神经科学新需求,尤其是适用于光遗传学的、具有高生物相容性的柔性光电一体化光纤仍有待开发。此外,光学神经探针结合先进的成像技术(如基于飞秒激光的多光子成像)更为活体深层脑神经研究提供新途径。然而,针对多光子光成像技术与高生物相容性的光学神经探针结合的相
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脑神经科学问题探索,以及神经医学诊断和治疗,都依赖生物医疗技术的发展。目前植入式的神经探针是脑神经系统研究的主要工具之一,开发多功能的柔性神经探针是脑神经科学新需求,尤其是适用于光遗传学的、具有高生物相容性的柔性光电一体化光纤仍有待开发。此外,光学神经探针结合先进的成像技术(如基于飞秒激光的多光子成像)更为活体深层脑神经研究提供新途径。然而,针对多光子光成像技术与高生物相容性的光学神经探针结合的相关研究还鲜有报导。针对这些问题,本论文探索开展了适用于飞秒激光的色散可控聚焦柔性光纤和光电一体柔性光纤的研究,具体的研究内容如下:(1)探究聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)光纤的制备方法及其生物应用的可行性。为了在PDMS光纤中实现全内反射传输,测试了不同配比制备的PDMS膜片的折射率及光透过光谱,确定了光纤纤芯包层材料的配比。为了制备出具有完整光波导结构的PDMS光纤,探究了PDMS光纤的制备方法,确定了不同芯径PDMS光纤的制备参数。所制备的光纤具有良好的光学性能,传输损耗约为0.1-0.2 d B/cm,变形传输透过率约为0.72(180°弯曲,曲率半径1 mm)。光纤具有良好机械性能,直径360μm光纤的伸长率可高达182%,杨氏模量仅有1.46 MPa,且在哺乳动物运动,呼吸和心跳(0.01-10 Hz)频率范围内的弯曲刚度,应力和储能模量分别为0.35 N/m,0.016 MPa和0.096 GPa。这些实验结果表明其适用于活体内的光学应用。(2)色散可控聚焦柔性光纤的设计、制备和表征。通过制备直径沿光纤轴向变化的纤芯,并根据制备参数调整直径变化的范围和周期,以提供振荡变化的色散曲线,正色散和负色散可以相互补偿使得净色散最小,因此减少了近红外飞秒激光的时域展宽。此外,在光纤端面一体化制备了微透镜,并且微透镜的曲率可以通过改变制备参数来调节,让光纤具有良好的光聚焦功能,这对于飞秒激光扫描/聚焦和荧光激发特别有用。所制备的光纤具有良好的光学性能,传输损耗为2-2.5 d B/cm(直径变化范围67-110μm),变形传输透过率为0.61(180°弯曲,曲率半径1 mm)。具有良好的机械性能,直径400-660μm光纤的伸长率可高达148%,杨氏模量仅有1.63 MPa,且在0.01-10 Hz频率范围内的弯曲刚度,应力和储能模量分别为0.53 N/m,0.008 MPa和0.031 GPa。这些实验结果表明其具有作为光学神经探针应用于活体内神经元多光子成像的应用潜力。(3)光电一体柔性光纤的设计、制备及表征。基于涂覆沉积的方法制备了具有银纳米线网格电极的光电一体柔性光纤。光纤具有良好的光学性能,传输损耗为2-3 d B/cm,变形传输透过率为0.57(180°弯曲,曲率半径1 mm)。具有良好的电学性能,电化学阻抗(1 k Hz)<10 k?,双电极的OEF具有电刺激能力。拉伸应变高达80%时阻抗仅有20.0?0.9 kΩ,且保持良好的电刺激性能。具有良好的机械性能,直径590μm光纤的伸长率可高达183%,杨氏模量仅有1.36 MPa,且在0.01-10 Hz频率范围内的弯曲刚度,应力和储能模量分别为2.22 N/m,0.030 MPa和0.107 GPa。这些实验结果表明其具有作为光学电极应用于活体内光遗传学,电学刺激及记录方面的应用潜力。
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