基于微纳光电子器件的植入式荧光计研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61874064
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0403.半导体光电子器件与集成
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

An implantable fluorometer, which dynamically monitors biological activities by detecting the fluorescence change inside the body, shows promise in various biomedical applications, especially in the area of neuronal signal detection. Compared to its waveguide-coupled counterparts, a fluorometer based on implantable microscale optoelectronic devices is more advantageous due to its small footprint, low power consumption, high spatial resolution and wireless operation. The proposed work is focused on the development of an implantable fluorometer based on thin-film microscale InGaN LEDs and InGaP photodetectors, aiming to achieve highly sensitive fluorescence signal detection of the neuronal indicator GCaMP in multiple regions in the deep brain tissue of living animals. By investigating light and tissue interactions, we will try to understand the process of light propagation, absorption and emission inside mammalian brain tissues, and establish mathematical optical models for the device design. Specific optical structures will be simulated and implemented onto LEDs and photodetectors, optimizing the detection sensitivity of fluorescence signals. Advanced manufacturing methods including epitaxial liftoff and transfer printing will be explored to fabricate thin-film, mechanically stacked microscale LEDs and detectors, assembling the device array onto flexible and injectable substrates. In addition, we plan to integrate the devices with miniaturized circuits, which control and read out signals wirelessly. Furthermore, the device lifetime, toxicity, operation temperature, signal stability will be investigated in simulated biological fluids as well as inside the brain of freely moving animals. The proposed research will utilize the fundamental light-matter interaction in biological systems for the development of advanced optical neural interfaces that realize highly sensitive neural activity readout in vivo.
植入式的荧光计通过检测荧光物质发光变化来探测生物活动,在生物医疗领域特别是神经信号活动监测方面有着广泛的应用前景。与光波导耦合的荧光计相比,运用微型光电子器件集成的荧光计直接把器件植入生物体内,具有尺寸小、能耗低、无线便携、适合多点检测等特点。本项目拟从探索光与生物组织相互作用入手,理解光信号在生物脑内的传播过程,并以此为基础设计开发基于微型薄膜式InGaN LED和InGaP光电探测器的植入式荧光计;通过设计堆叠器件的光学结构,优化荧光计对神经荧光蛋白的探测灵敏度;开发薄膜光电器件的剥离和转移技术,实现器件阵列在柔性植入式基底上的集成;设计小型无线控制电路进行光电信号的采集;最终实现在活体动物深层脑组织内多区域的荧光信号高灵敏探测。本项目的开展,对深入理解光电器件与生物组织的相互作用,用光电信号实现生物神经活动的监测,开发新型的生物医疗器件,都具有重要的指导意义。

结项摘要

植入式的荧光计通过检测荧光物质发光变化来探测生物活动,在生物医疗领域特别是神经信号活动监测方面有着广泛的应用前景。与光波导耦合的荧光计相比,运用微型光电子器件集成的荧光计直接把器件植入生物体内,具有尺寸小、能耗低、无线便携、适合多点检测等特点。本项目从探索光与生物组织相互作用入手,理解光信号在生物脑内的传播过程,并以此为基础设计开发了基于微型薄膜式InGaN LED和InGaP光电探测器的植入式荧光计;通过设计器件的光学结构,优化荧光计对神经荧光蛋白的探测灵敏度;开发薄膜光电器件的剥离和转移技术,实现器件阵列在柔性植入式基底上的集成;设计小型无线控制电路进行光电信号的采集;最终实现在活体动物深层脑组织内不同脑区进行钙荧光信号和多巴胺信号的无线高灵敏探测。本项目的开展,对深入理解光电器件与生物组织的相互作用,用光电信号实现生物神经活动的监测,开发新型的生物医疗器件,都具有重要的指导意义。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Colocalized, bidirectional optogenetic modulations in freely behaving mice with a wireless dual-color optoelectronic probe.
使用无线双色光电探针对自由行为的小鼠进行共定位双向光遗传学调制
  • DOI:
    10.1038/s41467-022-28539-7
  • 发表时间:
    2022-02-11
  • 期刊:
    Nature communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Li L;Lu L;Ren Y;Tang G;Zhao Y;Cai X;Shi Z;Ding H;Liu C;Cheng D;Xie Y;Wang H;Fu X;Yin L;Luo M;Sheng X
  • 通讯作者:
    Sheng X
An Optoelectronic thermometer based on microscale infrared-to-visible conversion devices.
一种基于微型红外-可见光转换器件的光电温度计
  • DOI:
    10.1038/s41377-022-00825-5
  • 发表时间:
    2022-05-07
  • 期刊:
    LIGHT-SCIENCE & APPLICATIONS
  • 影响因子:
    19.4
  • 作者:
    Ding, He;Lv, Guoqing;Cai, Xue;Chen, Junyu;Cheng, Ziyi;Peng, Yanxiu;Tang, Guo;Shi, Zhao;Xie, Yang;Fu, Xin;Yin, Lan;Yang, Jian;Wang, Yongtian;Sheng, Xing
  • 通讯作者:
    Sheng, Xing
3D electronic and photonic structures as active biological interfaces
3D 电子和光子结构作为活性生物界面
  • DOI:
    10.1002/inf2.12054
  • 发表时间:
    2020-05-01
  • 期刊:
    INFOMAT
  • 影响因子:
    22.7
  • 作者:
    Wang, Huachun;Sun, Pengcheng;Sheng, Xing
  • 通讯作者:
    Sheng, Xing
Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities
用于神经活动的光电激发和抑制的生物可吸收薄膜硅二极管
  • DOI:
    10.1038/s41551-022-00931-0
  • 发表时间:
    2022-09-05
  • 期刊:
    NATURE BIOMEDICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    28.1
  • 作者:
    Huang, Yunxiang;Cui, Yuting;Sheng, Xing
  • 通讯作者:
    Sheng, Xing
Ultrafast and low-power optoelectronic infrared-to-visible upconversion devices
超快、低功耗光电红外至可见光上转换器件
  • DOI:
    10.1364/prj.7.001161
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Photonics Research
  • 影响因子:
    7.6
  • 作者:
    Shi Zhao;Ding He;Hong Hao;Cheng Dali;Rajabi Kamran;Yang Jian;Wang Yongtian;Wang Lai;Luo Yi;Liu Kaihui;Sheng Xing
  • 通讯作者:
    Sheng Xing

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其他文献

植入式生物医疗光电子器件与系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    史钊;李丽珠;赵钰;付汝兴;盛兴
  • 通讯作者:
    盛兴

其他文献

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面向无线神经信号激活与抑制的柔性薄膜硅基光电极研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目
专题研讨类:多模态神经调控与检测技术
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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  • 批准号:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    青年科学基金项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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