Biologisch abbaubare optische Fasern ermöglichen die Messung oder Modulation elektrischer Ströme im menschlichen Körper

Jose Tadeo Arantes | FAPESP-Agentur Elektrische Signale steuern ein breites Spektrum an Aktivitäten im menschlichen Körper, vom Austausch von Nachrichten zwischen Neuronen im Gehirn über die Stimulation des Herzmuskels bis hin zu den Impulsen, die die Bewegung von Händen und Füßen ermöglichen, um nur einige zu nennen. Mit einem Anwendungshorizont zur Überwachung oder Modulation dieser Signale für medizinische Zwecke wurden biokompatible und biologisch abbaubare optische Fasern entwickelt, die aus Algenagar hergestellt werden.

unterstützt Bei FAPESP wurde die Arbeit von Professoren geleitet Eric Fujiwaravon der Fakultät für Maschinenbau der Staatlichen Universität Campinas (Unicamp), Cristiano Montero de Barros Corderovom Glebe Watagin Institute of Physics des Unicamp, und Hiromasa Oku von der Gunma University (Japan). Zustand Darüber in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichteaus der Nature Collection.

„Biokompatible Geräte sind unerlässlich, wenn optische Fasern für medizinische Anwendungen wie die Überwachung von Vitalparametern, Phototherapie oder Optogenetik eingesetzt werden. [o termo diz respeito ao estudo e controle da atividade de células específicas por meio de técnicas que combinam óptica, genética e bioengenharia], unter anderen. Darüber hinaus sind optische Fasern aus biologisch abbaubaren Materialien Alternativen zu verfügbaren Kommunikationstechnologien, die Glas- oder Kunststofffasern verwenden.

Die neuen Fasern wurden aus Agar hergestellt, einem transparenten, flexiblen, essbaren und erneuerbaren Material, das aus Rotalgen gewonnen wird. Dieselben Forscher haben bereits biokompatible optische Agarfasern entwickelt, um die chemische Konzentration und Luftfeuchtigkeit zu überwachen (Mehr lesen: agencia.fapesp.br/33133).

„Die Herstellungsmethode besteht hauptsächlich darin, zylindrische Formen mit Agarlösung zu füllen. Die vorliegende Arbeit erweitert das Anwendungsspektrum und schlägt einen neuen Typ von Photosensor vor, der die elektrische Leitfähigkeit von Agar nutzt.“

Fujiwara erklärt, dass die Fasern, angeregt durch kohärentes Licht, körnige Lichtmuster erzeugen, die sich räumlich und zeitlich entwickeln. Elektrische Ströme im Medium fließen durch die Fasern und verändern dadurch den Brechungsindex des Agars, was zu Störungen in den körnigen Mustern führt. „Durch die Analyse dieser Störungen ist es möglich, die Größe, Richtung und Ausrichtung der Elektroreize zu bestimmen und dabei zuverlässig Ströme von 100 Mikroampere oder sogar weniger zu messen.“ [μA]“, Konto.

Die Fähigkeit, solche subtilen elektrischen Signale zu erkennen, inspiriert zu möglichen Anwendungen im biomedizinischen Bereich. „Die Idee könnte genutzt werden, um Sensorsysteme zur Überwachung bioelektrischer Reize im Gehirn oder in den Muskeln zu entwickeln und als biologisch abbaubare Alternative zu herkömmlichen Elektroden zu dienen. In diesem Fall könnten optische Signale entschlüsselt werden, um Störungen zu diagnostizieren. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Fasern.“ als Schnittstelle zur Unterstützung der Kommunikation zwischen Mensch und Computer, in Assistenz- oder Rehabilitationstechnologien.

Die Reaktion des Sensors kann durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Materials verbessert werden. Die Tatsache, dass Agar in verschiedene Geometrien geformt werden kann, ermöglicht die Herstellung von Linsen und anderen optischen Geräten, die empfindlich auf elektrischen Strom reagieren. Der große Vorteil besteht vor allem darin, dass die Ballaststoffe nach der Anwendung vom Körper aufgenommen werden können, wodurch zusätzliche chirurgische Eingriffe vermieden werden.

Fujiwara weist darauf hin, dass sich die Studie noch auf Laborniveau befinde und daher weit von einer technologischen Anwendung entfernt sei. Aber die genaue Bestimmung der physikalischen Parameter der optischen Reaktion auf elektrischen Strom schafft eine solide Grundlage für die spätere Herstellung biomedizinischer Geräte.

Artikel Agarbasierte optische Sensoren zur Messung des elektrischen Stroms Sie sind abrufbar unter: www.nature.com/articles/s41598-023-40749-7.