Een flexibele, biologisch afbreekbare optische vezels die licht in het lichaam kunnen brengen voor medische toepassingen, is het nieuwste werk van een samenwerking tussen elektrotechnici en biomaterialeningenieurs in het Materials Research Institute van Penn State.

Het vermogen om licht in het lichaam te brengen is belangrijk voor laserchirurgie, medicijnactivering, optische beeldvorming, diagnose van ziekte, en in de optogenetica, het experimentele veld waarin licht wordt gebruikt om de functie van neuronen in de hersenen te manipuleren. Nog, het leveren van licht in het lichaam is moeilijk en vereist typisch de implantatie van een optische vezel gemaakt van glas.

"Het probleem is dat zichtbaar licht maar tot een bepaalde diepte kan doordringen, misschien honderden microns, " zei Jian Yang, hoogleraar biomedische technologie, Penn State. "Nabij-infraroodlicht kan misschien enkele millimeters tot een centimeter doordringen, maar dat is niet genoeg om te zien wat er aan de hand is."

Momenteel, mensen gebruiken glasvezel om op diepte licht in biologisch weefsel te krijgen, maar glas is broos en niet biologisch afbreekbaar. Het kan weefsel breken en beschadigen als het wordt geïmplanteerd. Onderzoekers beginnen te kijken naar flexibele polymeervezels als een oplossing.

Yang vond eerder een polymeer uit op basis van citraat, een van nature voorkomend belangrijk ingrediënt in de stofwisseling, dat hij ontwikkelde als een algemeen platform voor biomedische toepassingen, zoals biologisch afbreekbare botschroeven voor botfixatie, steigers voor tissue engineering en nanodeeltjes voor het leveren van time-released therapeutische medicijnen. Nutsvoorzieningen, hij werkt samen met Zhiwen Liu, Penn State hoogleraar elektrotechniek, met behulp van Yang's op citraat gebaseerde polymeer om een ​​optische vezel met een step-index te creëren voor lichtafgifte in het lichaam.

Een step-index vezel heeft een kernmateriaal dat licht doorlaat en een bekleding die de kern beschermt en voorkomt dat het licht ontsnapt. Het laboratorium van Yang maakt en test het polymeer en neemt het vervolgens mee naar het laboratorium van Liu om er een vezel van te maken. Zodra de vezel is getest en verfijnd, Yang's lab implanteert de vezel in biologisch weefsel om te testen.

"Het huidige werk demonstreert de eerste op citraat gebaseerde flexibele biologisch afbreekbare polymere step-indexvezel, " zei Dingying Shan, een doctoraat student in de groep van Yang.

Shan is co-eerste auteur van een recent artikel in het tijdschrift Biomaterialen , die hun werk beschrijven.

"Het gebruik van op citraat gebaseerde polymeren maakt ultrafijne afstemming van brekingsindexverschillen tussen de kern en de bekledingslagen mogelijk, " voegde co-eerste auteur Chenji Zhang toe, een recente Ph.D. afgestudeerd in de groep van Liu.

Omdat de kern en de bekleding identieke mechanische eigenschappen hebben, de optische vezel kan buigen en uitrekken zonder dat de lagen uit elkaar trekken, zoals kan gebeuren met verschillende materialen. De twee materialen zullen ook met vergelijkbare snelheden biologisch worden afgebroken in het lichaam, zonder schade.

"Wij geloven dat dit nieuwe type biologisch afbreekbare, biocompatibele en verliesarme optische vezel met stapindex kan de levering en verzameling van licht op orgelschaal vergemakkelijken, " zei Shan. "En dat het een hulpmiddel zal worden voor diverse biomedische toepassingen waarbij lichtafgifte, beeldvorming of sensing zijn gewenst, ' zei Shan.

"Dit nieuwe type vezel creëert een transparant venster om in een troebel weefsel te gluren, en kan nieuwe mogelijkheden voor beeldvorming mogelijk maken, ' zei Liu.

Als voorbereidende stap, het team heeft eerst de lichtvoortplantingskenmerken van de vezel gemeten en vervolgens deze informatie gebruikt om de beeldoverdracht door de vezel aan te tonen.

"Omdat het materiaal niet-toxisch en biologisch afbreekbaar is, de op citraat gebaseerde vezel kan gedurende lange perioden in het lichaam worden achtergelaten zonder dat een tweede operatie nodig is om deze te verwijderen, " zei Yang. "Naast waarneming en beeldvorming, we kunnen therapeutische chemicaliën toevoegen, medicijnen of biologische moleculen voor de behandeling van ziekten."