Voor de eerste keer, onderzoekers hebben sensorelementen gefabriceerd die bekend staan ​​als Bragg-vezelroosters in optische vezels die zijn ontworpen om volledig in het lichaam op te lossen. De Bragg-roosters van bioresorbeerbare vezels kunnen worden gebruikt voor in-body monitoring van de genezing van botbreuken en voor veiliger onderzoek van gevoelige organen zoals de hersenen.

Een vezel Bragg-rooster is een optisch element dat is ingeschreven in een optische vezel, die veel wordt gebruikt als een detectie-instrument. Hoewel Bragg-roosters van vezels vaak worden gebruikt voor toepassingen zoals realtime monitoring van de structurele gezondheid van bruggen of het volgen van de integriteit van vliegtuigvleugels, tot nu toe vertoonden ze geen kenmerken die de voorkeur hadden voor gebruik in het lichaam. Met een ontwerp waardoor ze op dezelfde manier kunnen worden afgebroken als oplosbare steken, de nieuwe glasvezels moeten veilig zijn voor patiënten, zelfs als ze per ongeluk breken, volgens de onderzoekers.

"Ons werk effent de weg naar optische vezelsensoren die veilig in het menselijk lichaam kunnen worden ingebracht, " zei Maria Konstantaki, een lid van het onderzoeksteam van het Institute of Electronic Structure and Laser (IESL) van de Foundation of Research and Technology - Hellas (FORTH), Griekenland, die de nieuwe roosters fabriceerde en kenmerkte. "Omdat ze oplossen, deze sensoren hoeven na gebruik niet te worden verwijderd en zouden nieuwe manieren mogelijk maken om efficiënte behandelingen en diagnoses in het lichaam uit te voeren."

De FORTH-onderzoekers werkten samen met wetenschappers van de Politecnico di Torino en Istituto Superiore Mario Boella, Italië, die zich ontwikkelde, vervaardigd en gekenmerkt de speciale optische vezel die voor het werk wordt gebruikt. In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers laten zien dat roosters die in de bioresorbeerbare glasvezel zijn geëtst, oplossen onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van het menselijk lichaam.

De nieuwe bioresorbeerbare Bragg-roosters van optische vezels kunnen worden gebruikt om druk op gewrichten te voelen of als kleine sondes die het hart en andere delicate organen veilig kunnen bereiken en beoordelen. Lasergebaseerde technieken voor het verwijderen van tumoren kunnen ook worden verbeterd met deze glasvezelroosters, die tegelijkertijd de laserstraal zou kunnen leveren en de nauwkeurige realtime temperatuurwaarneming zou kunnen bieden die nodig is om het laserablatieproces te bewaken.

"Dit is de eerste keer dat een veelgebruikt en goed gekalibreerd optisch element zoals een Bragg-rooster is geëtst in een bioresorbeerbare optische vezel, " zei Konstantaki. "Onze aanpak zou mogelijk kunnen worden gebruikt om verschillende soorten onderling verbonden structuren in of op bioresorbeerbare optische vezels te creëren, waardoor een breed scala aan detectie- en biochemische analysetechnieken in het lichaam kunnen worden uitgevoerd."

Glas maken dat oplost

Om Bragg-roosters van optische vezels te maken die veilig in het lichaam kunnen worden gebruikt, de onderzoekers ontwikkelden een speciaal type glas gemaakt van fosforoxide in combinatie met oxiden van calcium, magnesium, natrium en silicium. "Dit glas combineert uitstekende optische eigenschappen met biocompatibiliteit en oplosbaarheid in water, waardoor een betrouwbaar platform wordt geboden om optische vezels te maken die oplossen in water of biologische vloeistoffen, " zei Daniel Milanese van Politecnico di Torino. "De eigenschappen van de optische vezels kunnen worden afgestemd door de glassamenstelling op de juiste manier te veranderen."

Bragg-roosters voor optische vezels worden gemaakt door een laser te gebruiken om een ​​optische vezel in te schrijven met een patroon dat ervoor zorgt dat de vezel een specifieke golflengte terugkaatst in de richting waar hij vandaan kwam. Een type rooster dat bekend staat als gekanteld Bragg-rooster voor optische vezels zorgt ervoor dat een deel van het gereflecteerde licht uit de vezelkern kan ontsnappen en de omringende bekleding binnendringt. Gekantelde roosters worden vaak gebruikt voor detectie omdat veranderingen op het cilindrische oppervlak van de vezel het teruggereflecteerde licht wijzigen op een manier die kan worden gecontroleerd.

De onderzoekers creëerden zowel gekantelde als standaard optische vezel Bragg-roosters om beter te begrijpen hoe de parameters die voor inscriptie werden gebruikt, de detectiekarakteristieken van het rooster beïnvloedden. Ze ontdekten dat het blootstellen van de bioresorbeerbare vezel aan ultraviolet laserlicht met een bepaalde ruimtelijke intensiteitsverdeling - die beschrijft hoe het laserstraalvermogen wordt verdeeld - na oplossen een overeenkomstig oppervlaktereliëfpatroon in het optische vezelvolume creëerde.

"Deze bevinding maakt de weg vrij voor nieuwe toepassingen van dit soort materialen, vooral in de vezelvorm, " zei Stavros Pissadakis, die de FORTH-groep leidt. "Met lasers zouden complexe fluïdische of optische structuren kunnen worden gemaakt om een ​​apparaat te maken met een groot aantal op maat gemaakte functionaliteiten."

Na te hebben bevestigd dat de patronen die door het inscriptieproces zijn gecreëerd, werkten als een Bragg-vezelrooster, de onderzoekers dompelden vezels met en zonder Bragg-vezelroosters gedurende 56 uur onder in een oplossing die de pH- en temperatuuromstandigheden van het menselijk lichaam simuleerde. Ze ontdekten dat het glas dat was geëtst met laserlicht sneller oploste dan onbelicht glas.

De onderzoekers voeren nu systematische experimenten uit om beter te begrijpen hoe de vezelsamenstelling en ultraviolette laserbestralingsomstandigheden de snelheid beïnvloeden waarmee het Bragg-vezelrooster oplost. Deze informatie kan worden gebruikt om Bragg-vezelroosters te maken die binnen een bepaalde tijdsperiode oplossen. Voordat het bij mensen wordt gebruikt, de oplossende en voelende eigenschappen van de Bragg-vezelroosters zullen bij dieren moeten worden bestudeerd.