Блог

Jul 08, 2023

Если

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13517 (2023) Цитировать эту статью 251 Доступы Метрики Подробности Биоразлагаемые оптические волноводы представляют собой прорывные технологии в области доставки и считывания света.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13517 (2023) Цитировать эту статью

251 доступ

Подробности о метриках

Биоразлагаемые оптические волноводы — это прорывные технологии в области доставки и считывания света в биомедицинских и экологических приложениях. Агар представляет собой съедобную, мягкую, недорогую и возобновляемую альтернативу традиционным биополимерам, обладающую замечательными оптическими и механическими характеристиками. В предыдущих работах были представлены оптические волокна из агара для химических измерений, основанные на их свойственной реакции на влажность и окружающую концентрацию. Поэтому мы впервые предлагаем полностью оптический биоразлагаемый датчик электрического тока. Поскольку текущие заряды нагревают матрицу агара и модулируют ее показатель преломления, мы подключаем оптическое устройство к источнику постоянного напряжения с помощью штыревых разъемов и возбуждаем образец агара когерентным светом, чтобы проецировать пространственно-временные отклонения спекл-полей. Эксперименты продолжались со сферами и волокнами без сердцевины, содержащими 2 мас.% агара/воды. Как только возрастающий ток стимулирует движение спеклов, мы получаем такие изображения с помощью камеры и оцениваем их коэффициенты корреляции, получая экспоненциальные функции, подобные экспоненциальному затуханию, чьи постоянные времени обеспечивают входную силу тока. Кроме того, световые гранулы следуют поляризации приложенного падения напряжения, предоставляя визуальную информацию о направлении тока. Результаты указывают на максимальное разрешение \(\sim \)0,4 \(\upmu \)A для электрических стимулов \(\le \) 100 \(\upmu \)A, что соответствует требованиям для оценки биоэлектрических сигналов.

Оптические устройства, изготовленные из разлагаемых материалов, становятся многообещающими кандидатами для удовлетворения растущего спроса на биосовместимые и экологически чистые технологии. Имплантируемые волноводы позволяют проводить оценку и активацию света в здравоохранении, визуализации, доставке лекарств и оптогенетике1,2,3,4,5, обеспечивая постепенное поглощение организмом после его использования. В настоящее время доступны волноводы из фиброина шелка6 и биополимеров, таких как целлюлоза7, альгинат8, цитрат9, поликапролактон10 и поли(d,l-молочная кислота)11, которые заменяют типичные стеклянные и пластиковые оптические волокна, достигая приемлемых потерь передачи. Однако большинство этих подходов зависят от относительно дорогих прекурсоров и тщательно разработанных маршрутов производства.

В этом контексте агар, полученный из красных водорослей, становится съедобной и возобновляемой альтернативой для создания оптических компонентов и волноводов. Агар содержит в своем составе полисахариды агарозу и агропектин, первый из которых обеспечивает его желирующую способность. Этот материал обладает уникальными свойствами, такими как формуемость, гибкость, химическая стабильность, гелеобразование при низких температурах и термообратимость12,13,14. Кроме того, механические и оптические свойства объемных образцов (жесткость, показатель преломления, прозрачность и др.) можно регулировать путем подбора химического состава агарового раствора. Яркими примерами применения этого гелеобразного материала являются искусственные ткани, биопластики и среды для выращивания микроорганизмов13,14.

Несмотря на его традиционное использование в пищевой промышленности и биохимическом анализе, оптические устройства, изготовленные из агара, описаны в скудной литературе. Например, Оку и др. разработали съедобные линзы и светоотражатели для создания установок виртуальной реальности в организме15,16. Манокки и др. создали планарный волновод, состоящий из слоев агара и желатина, предвидя его дальнейшее использование в качестве имплантируемого биохимического монитора17. Джайн и др. представили прямоугольный волновод, интегрированный в микрофлюидную систему для иммобилизации клеток и визуализации, достигнув оптических потерь \(\le 13\) дБ/см18. Наконец, наша группа продемонстрировала структурированное оптическое волокно из агара, имеющее твердую сердцевину, окруженную отверстиями для воздуха. В ходе экспериментов были оценены оптические потери (3,3 дБ/см) и исследованы возможные применения в химическом зондировании19.

Агар по своей природе чувствителен к концентрации, температуре, влажности и pH окружающей среды, что делает его пригодным для определения различных физических и биохимических параметров. Помимо обычных установок, включающих стеклянные оптические волокна, покрытые пленками гидрогеля20,21,22, агаровый волновод может поглощать или вытеснять капли воды из-за механизмов набухания и синерезиса23, соответственно, вызывая геометрические изменения, которые нарушают проходящий свет19. Кроме того, можно регулировать показатель преломления объемного образца, добавляя сахар или глицерин в раствор агара, повышая его чувствительность к жидкостям, текущим снаружи волокна или внутри через дырчатую структуру19.