Onderzoekers van de Tufts University School of Engineering en Boston University hebben de eerste metamateriaalstructuren met een groot oppervlak gefabriceerd en gekarakteriseerd op implanteerbare, biocompatibele zijdesubstraten.

Het onderzoek in het tijdschrift Geavanceerde materialen , biedt een veelbelovend pad naar de ontwikkeling van een nieuwe klasse van metamateriaal geïnspireerde implanteerbare biosensoren en biodetectoren.

Metamaterialen zijn kunstmatige elektromagnetische composieten, meestal gemaakt van sterk geleidende metalen, waarvan de structuren op elektromagnetische golven reageren op een manier die atomen in natuurlijke materialen niet doen. De meest futuristische metamaterialen zouden al het licht absorberen, om warmte te creëren om kankerweefsel te vernietigen, of licht volledig om een ​​object heen buigen, dat object onzichtbaar maken - een denkbeeldige verrukking voor fans van sciencefiction of spionageromans.

"Echter, de echte kracht van metamaterialen is de mogelijkheid om materialen te construeren met een door de gebruiker ontworpen elektromagnetische respons op een nauwkeurig gecontroleerde doelfrequentie. Dit opent de deur naar nieuw elektromagnetisch gedrag zoals een negatieve brekingsindex, perfecte lenswerking, perfecte absorbers en onzichtbaarheidsmantels, " legt Tufts-hoogleraar Biomedical Engineering Fiorenzo Omenetto uit, die het onderzoeksteam leidde. Omenetto heeft ook een aanstelling bij de afdeling Natuurkunde van Tufts School of Arts and Sciences.

Het team richtte zich op metamateriaal zijdecomposieten die resoneren op de terahertz-frequentie. Dit is de frequentie waar veel chemische en biologische agentia unieke "vingerafdrukken, " die mogelijk kan worden gebruikt voor biosensing.

Kleine antennes fungeren als één

De onderzoekers sproeiden op goud gebaseerde metamateriaalstructuren rechtstreeks op vooraf gemaakte zijden films met micro-gefabriceerde stencils met behulp van een schaduwmaskerverdampingstechniek. Door het metamateriaal op de flexibele zijden films te sproeien, ontstond een composiet dat zo buigzaam was dat het in kleine, capsule-achtige cilinders.

Zijdefilms zijn zeer transparant bij THz-frequenties, dus metamateriaal zijde composieten vertonen een sterk resonerende elektromagnetische respons. Elk gefabriceerd monster was 1 vierkante centimeter en bevatte 10, 000 metamateriaalresonatoren met unieke resonantierespons op de gewenste frequenties.

Volgens Fiorenzo Omenetto, vergelijkt het onderzoeksteam het concept met "een heel eigenaardig soort antenne - eigenlijk, veel kleine antennes die zich als één gedragen. De composiet van zijde metamateriaal is gevoelig voor de diëlektrische eigenschappen van het zijden substraat en kan de interactie tussen de zijde en de lokale omgeving volgen. Bijvoorbeeld, het metamateriaal kan veranderingen signaleren in een bioreactief zijdesubstraat dat is gedoteerd met eiwitten of enzymen."

De toevoeging van een puur biologisch substraat zoals zijde aan het gouden metamateriaal voegt enorme speelruimte en mogelijkheden toe voor onvoorziene toepassingen, zegt professor Richard Averitt, een van Omenetto's medewerkers van de Boston University en een expert op het gebied van metamaterialen.

De resonantierespons kan worden gebruikt als een implanteerbare elektromagnetische handtekening voor contrastmiddelen of bio-tracking-toepassingen, zegt co-auteur Hu Tao, een voormalige afgestudeerde student van de Boston University die nu een postdoctoraal medewerker is in het laboratorium van Omenetto.

In situ biodetectie

Om het concept te demonstreren, de onderzoekers voerden een reeks in vitro-experimenten uit die de elektromagnetische respons van de zijde-metamaterialen onderzochten wanneer ze werden geïmplanteerd onder dunne plakjes spierweefsel. Ze ontdekten dat de metamaterialen hun nieuwe resonantie-eigenschappen behouden terwijl ze geïmplanteerd waren. Hetzelfde proces kan gemakkelijk worden aangepast om metamaterialen van zijde op andere frequenties te fabriceren, volgens Tao.

"Onze aanpak is veelbelovend voor toepassingen zoals in situ bio-sensing met geïmplanteerde medische apparaten en de overdracht van medische informatie vanuit het menselijk lichaam, ", zegt Omenetto. "Stel je de voordelen voor van het bewaken van de snelheid van medicijnafgifte van een medicijn-eluerende cardiale stent, een perfecte absorber maken die kan worden geïmplanteerd om ziek weefsel door hitte aan te vallen, of een 'onzichtbaarheidsmantel' om een ​​orgaan wikkelen om het weefsel erachter te onderzoeken."