化學：生物相容性纖維可以利用光來刺激細胞或感知疾病的跡象！
麻省理工學院和哈佛醫學院的研究人員開發出一種生物相容性和高度可拉伸的光纖，由水凝膠製成，這種彈性橡膠材料主要由水組成。這種纖維像甘草繩一樣可以彎曲，有朝一日可以植入體內，在疾病的第一個徵兆時提供治療性的光脈衝或點亮。
研究人員表示，這種纖維可以作為一種持久的植入物，可以隨身體彎曲和扭曲而不會分解。該團隊在線發佈了Advanced Materials雜誌。
利用光來激活細胞，特別是大腦中的神經元，是一個高度活躍的領域，稱為光遺傳學，研究人員使用針狀纖維向目標組織提供短脈衝光，通過它們發出來自LED光源的光。
“但大腦就像一碗Jell-O，而這些纖維就像玻璃一樣非常僵硬，可能會損傷腦組織，”麻省理工學院機械工程系Robert N. Noyce職業發展副教授Xuanhe Zhao說。“如果這些纖維能夠與大腦的柔韌性和柔軟性相匹配，它們可以提供長期更有效的刺激和治療。”
瞭解它的核心！
麻省理工學院的趙小組，包括研究生劉新月和Hyunwoo Yuk，專門調整水凝膠的機械性能。研究人員設計了多種配方，用於從各種生物聚合物中製造堅韌而柔韌的水凝膠。該團隊還提出了將水凝膠與各種表面粘合在一起的方法，如金屬傳感器和LED，以創建可拉伸的電子產品。
在與副教授Seok-Hyun（Andy）Yun領導的哈佛醫學院生物光學小組交談後，研究人員只考慮探索水凝膠在光纖中的應用。Yun的團隊之前曾用水凝膠材料製造了一種光纖，該光纖成功地將光線傳輸通過光纖。然而，當彎曲或稍微拉伸時，材料破裂。相比之下，趙的水凝膠可以像太妃糖一樣伸展和彎曲。兩個小組共同努力，尋找將趙的水凝膠納入雲的光纖設計的方法。
Yun的設計包括一個包裹在外層包層中的核心材料。為了通過光纖芯傳輸最大量的光，芯和包層應由折射率非常不同的材料製成，或者它們可以彎曲光的程度。
“如果這兩件事情太相似，那麼無論什麼光源流過光纖都會消失，”Yuk解釋道。“在光纖中，人們希望在芯層中具有更高的折射率，而不是包層，因此當光線通過光纖時，它會從包層的界面反射並保持在芯層內。”
令人高興的是，他們發現趙氏的水凝膠材料具有高度透明性，並具有理想的核心材料折射率。但是當他們試圖用包層聚合物溶液塗覆水凝膠時，當纖維被拉伸或彎曲時，這兩種材料傾向於剝離。
為了將兩種材料結合在一起，研究人員在包覆溶液中添加了共軛化學物質，當塗覆在水凝膠核心上時，在兩種材料的外表面之間產生化學連接。“它點擊了包層中的羧基，以及核心材料中的胺基，如分子級膠水，”Yuk說。
感應應變！
研究人員測試了光纖通過不同長度的光纖照射激光來傳播光的能力。每根光纖在沒有明顯衰減或衰落的情況下透射光。他們還發現，纖維可以拉伸超過其原始長度的七倍而不會斷裂。
現在，他們已開發出一種高度靈活且堅固的光纖，由同樣具有生物相容性的水凝膠材料製成，研究人員開始研究光纖的光學特性，看看他們是否可以設計出能夠感知光纖的時間和地點的光纖。被拉伸。
他們首先加載了一種含有紅色，綠色和藍色有機染料的纖維，放置在纖維長度的特定位置。接下來，他們通過光纖照射激光並拉伸例如紅色區域。他們測量了穿過光纖的光譜，並注意到了紅光的強度。他們推斷，這種強度與紅色染料吸收的光量直接相關，因為該區域被拉伸。
換句話說，通過測量光纖遠端的光量，研究人員可以定量地確定光纖的拉伸位置和數量。“當你拉伸纖維的某一部分時，纖維那部分的尺寸會隨著區域吸收和散射的光量而變化，因此這種纖維可以作為應變傳感器，”劉解釋。“這就像是通過單根光纖傳輸的多傳感器，”Yuk補充道。“所以它可以是植入式或可穿戴式應變計。”
研究人員設想，可以沿著患者手臂或腿的長度植入或安裝這種可拉伸的應變傳感光纖，以監測移動性改善的跡象。趙設想纖維也可以作為傳感器，照亮疾病的跡象點亮。
“我們可以使用光纖進行長期診斷，以光學方式監測腫瘤或炎症，”他說。“這些應用程序可能會產生影響。”
“水凝膠纖維非常有趣，為人體內嵌入光線提供了一個引人注目的方向，”塔夫茨大學生物工程教授Fiorenzo Omenetto說，他沒有參與這項工作。“這些優化和管理纖維物理和機械性能的努力是必要且重要的後續步驟，可以實現醫學相關的實際應用。”
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