导读
最近来自西北大学（Northwestern University），华中科技大学（HuaZhong University of Science and Technology）和阿贡国家实验室纳米材料中心（Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory）的科研人员报告了一种带有超声传感器的CCW，以下写为usCCW。研究人员使用一种低成本的软纳米压印方法，把透明的微环谐振器（MRR）集成到CCW上用于超声波的探测。
软纳米压印（sNIL）制造usCCW是通过使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）软模具的简单冲压步骤来完成的，从而不需要复杂的纳米制造设备。使用sNIL工艺制备的MRR超声探测器灵敏度提高了10倍以上。将MRR封装在声阻抗匹配的保护层中，进一步提高了其在28天观察期内应用的可靠性。此外，sNIL的使用显著地降低了每台设备的制造成本，成本可以控制在1美元以内，这使得usCCW适合于外科植入时一次性使用。研究人员还对28天以上活体小鼠皮层血管的纵向光声显微成像（PAM），实验验证了usCCW的功能。
Title: Disposable ultrasound-sensing chronic cranial window by soft nanoimprinting lithography
Published time: 20190919
颅骨不仅保护了大脑，但也妨碍了对大脑的研究。对大脑进行光学成像和光遗传学研究需要把光导入到大脑内去。打开颅骨是最有效的方式，为了方便长期的观察大脑，往往需要在颅骨缺口上安装一个透明的“窗口”。
长期颅骨窗（chronic cranial window, CCW）因为具备以下两点：1.可以长时间使用，保证可见光或者红外光可以穿透颅骨窗；2.对大脑起到保护作用，防止外部感染，维持大脑部位的生理环境，已被广泛应用于科学研究当中。一次单一的外科手术就可以把长期颅骨窗安装到小动物大脑上，小动物快速恢复并适应颅骨窗之后，就可以对小动物的大脑进行活体观察，因为其简单性和可靠性使它成为研究小动物的热门选择。借助光学成像可长时间观察动物大脑，使用光遗传学可以长时间研究小动物大脑的神经网络。当前众多成像技术已经有了应用，包括单光子和多光子荧光显微镜、光学相干断层成像、光声显微镜（PAM）和激光散斑对比成像等多种光学成像方法。最近，研究人员还将CCW与光遗传学工具结合起来，实现了选择性的光学刺激和抑制活神经元中的神经活动。
尽管有这些成功，CCW的外科植入占据了大脑的许多空间，也妨碍了其他探测器对大脑的监控。如果想研究大脑的其他活动，例如深脑电极刺激等活动时，就需要依靠复杂的手术和窗口设计来实现。另一方面，将CCW转换为主动传感装置，使得CCW既是一个长期颅骨窗，也是一个探测器，同时可防止污染大脑并保持动物处于健康状态。这样带有功能的CCW是最为理想的颅骨窗。
1. MRR超声探测器在CCW上制备
MRR超声探测器的制作工艺制备工艺包括：（a）200 nm光刻胶的旋涂；（b）图案化电子束光刻工艺；（c）从光致抗蚀剂转移到SiO2层的RIE图案；（d）DRE图案从SiO2层转移到具有高纵横比特征的硅衬底上；（e）去除SiO2层；（f）通过PDMS前体的热固化铸造PDMS软模；（g）从硅主模上剥离PDMS软模；（h）将PDMS软模放置在400纳米厚的PS薄膜上，在石英微珠上涂覆；（i）在其玻璃化转变温度下加热聚苯乙烯薄膜；（j）冷却至室温后，剥离PDMS印章；最后，（k）在MRR波导上旋涂5mm可紫外光固化PDMS薄膜，然后通过过量UV曝光固化。（l）硅模具，（o）PDMS软模具，和（r）石英衬底上制造的MRR，插图是对应的放大视图。扫描电镜图像（m）硅模具，（p）PDMS软模具，和（s）MRR装置。它们相应的放大图像分别显示为（n），（q）和（t）。比例尺：（m，p，s）20mm，（n，q，t）2mm
2. MRR超声探测器的Q值研究
(a) sNIL制备的MRR超声探测器的扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺条10mm；(b) 放大的波导耦合区域的放大图，比例尺500nm；(c)和(d)所制作的MRR的横截面的SEM图像。示意图说明附着在波导上的潜在污染物，比例尺500 nm。(e)当未受保护的MRR暴露于全血时，光共振在2小时内由于污染而减弱。(f)示意图和(g)由附加PDMS层保护的MRR的横截面的SEM图像，比例尺500 nm。该示意图示出了防止对波导的污染。(h)在受保护的MRR暴露血液2小时后，光共振不受影响。(i)误差条与实验测得的共振谱拟合时，显示了Q系数的标准偏差
3.使用usCCW进行光声成像
(a) 在开颅术后，手术切除小鼠颅骨。插图显示了具有MRR和纤维附着的usCCW的物理尺寸，它是光学透明的，总厚度为250mm，总重量小于1g。MRR超声检测器附着在8mm直径的圆形衬底上，并且感测光通过一对30厘米的柔性光纤耦合；(b) 通过usCCW进行光学扫描的图示。为了激励MRR谐振，窄带连续波可调谐激光器（765 nm至781 nm波长）在通过光纤偏振控制器之后耦合到总线波导中，并由总线波导的另一端上的多模光纤收集；(c) 光激励和超声波检测几何截面示意图。MRR和硬脑膜之间的空间为1mm，填充0.5%琼脂糖凝胶。我们用牙科水泥密封usCCW，以防止感染和渗漏；(d)明场光学显微图；(e) 同一区域的深度编码最大强度投影PAM图像。由于激光扫描视野有限，整个图像是从9次采集中拼接而成的；(f) 血管取向和皮层弯曲的三维可视化；(g) 在(d)和(h)中虚线框突出出血区域的PAM图像；(h) PAM的B-扫描图像从，显示出血区下方的隐藏血管；(i) 出血层下方可视化血管。比例尺（a–b）0.5mm和（g–i）200mm
与现有的CCW主要被设计为无源光学窗口相比，该文章证明了usCCW整合MRR超声检测器的功能成像组件的可行性。研究人员在28天内完成了小鼠皮层的纵向PAM成像。结果表明，一个智能颅骨窗的光声显微镜的轴向分辨率为4mm，这是在光声脑成像中所取得的最高的轴向分辨率。因为窗口本身是位于脑组织附近，可以更灵敏地探测超声波，如此高的轴向分辨率使得清晰地分辨硬粒和皮质中的毛细血管成为可能，从而为基础生物学研究提供了更多机遇 。
usCCW不仅可以进行长期PAM成像，还可以与其他的光学显微镜成像和潜在的光遗传学操作兼容。例如，将皮层血流动力学的PAM成像与神经元活动的双光子成像相结合，可以为神经血管结合提供新的信息。脑血液循环的长期监测可以进一步研究各种脑疾病，包括脑肿瘤、卒中、创伤性脑损伤、甚至神经退行性疾病。此外，可以利用usCCW开发一种轻型可穿戴成像仪，对无限制、自由移动的动物进行成像。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12178-6
DOI：10.1038/s41467-019-12178-6
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