En sikker optisk fiber til at levere lys og medicin ind i kroppen

En fleksibel, biologisk nedbrydelig optisk fiber, der kan levere lys ind i kroppen til medicinske anvendelser, er det seneste arbejde i et samarbejde mellem elektroingeniører og biomaterialeingeniører i Penn State's Materials Research Institute.

Evnen til at levere lys ind i kroppen er vigtig for laserkirurgi, aktivering af lægemidler, optisk billeddannelse, diagnosticering af sygdom, og i optogenetik, det eksperimentelle felt, hvor lys bruges til at manipulere neuronernes funktion i hjernen. Endnu, at levere lys ind i kroppen er svært og kræver typisk implantation af en optisk fiber lavet af glas.

"Problemet er, at synligt lys kun kan trænge ned til en vis dybde, måske hundredvis af mikron, " sagde Jian Yang, professor i biomedicinsk teknik, Penn State. "Nær infrarødt lys kan muligvis trænge igennem et par millimeter til en centimeter, men det er ikke nok til at se, hvad der foregår."

I øjeblikket, folk bruger glasfiber til at få lys ind i biologisk væv i dybden, men glas er skørt og er ikke biologisk nedbrydeligt. Det kan knække og beskadige væv, hvis det implanteres. Forskere begynder at se mod fleksible polymerfibre som en løsning.

Yang opfandt tidligere en polymer baseret på citrat, en naturligt forekommende nøgleingrediens i stofskiftet, at han udviklede som en generel platform for biomedicinske applikationer, såsom biologisk nedbrydelige knogleskruer til knoglefiksering, stilladser til vævsteknologi og nanopartikler til levering af tidsfrigivne terapeutiske lægemidler. Nu, han samarbejder med Zhiwen Liu, Penn State professor i elektroteknik, ved at bruge Yangs citratbaserede polymer til at skabe en optisk fiber med trinindeks til lyslevering inde i kroppen.

En step-index fiber har et kernemateriale, der transmitterer lys, og en beklædning, der beskytter kernen og forhindrer lyset i at slippe ud. Yangs laboratorium fremstiller og tester polymeren og tager den derefter til Lius laboratorium for at blive til en fiber. Når fiberen er testet og finjusteret, Yangs laboratorium implanterer fiberen i biologisk væv til test.

"Det nuværende arbejde demonstrerer den første citratbaserede fleksible bionedbrydelige polymere step-index fiber, " sagde Dingying Shan, en ph.d. elev i Yangs gruppe.

Shan er medforfatter på et nyligt papir i tidsskriftet Biomaterialer , som beskriver deres arbejde.

"Brugen af ​​de citratbaserede polymerer muliggør ultrafin justering af brydningsindeksforskelle mellem kernen og beklædningslagene, " tilføjede den første forfatter Chenji Zhang, en nylig ph.d. kandidat i Lius gruppe.

Fordi kernen og beklædningen har identiske mekaniske egenskaber, den optiske fiber kan bøjes og strække sig uden at lagene trækker fra hinanden, som det kan ske med uens materialer. De to materialer vil også nedbrydes med samme hastighed i kroppen, uden skade.

"Vi tror på, at denne nye type bionedbrydelige, biokompatibel optisk fiber med lavt tab og trinindeks kan lette levering og opsamling af lys i organskala, Shan sagde. "Og at det vil blive et muliggørende værktøj til forskellige biomedicinske applikationer, hvor lyslevering, billeddannelse eller sansning ønskes, " sagde Shan.

"Denne nye type fiber skaber et gennemsigtigt vindue til at kigge ind i et grumset væv, og kan give nye muligheder for billeddannelse, " sagde Liu.

Som et indledende skridt, holdet målte først fiberens lysudbredelseskarakteristika og brugte derefter denne information til at demonstrere billedtransmission gennem fiberen.

"Fordi materialet er ugiftigt og biologisk nedbrydeligt, den citratbaserede fiber kunne efterlades inde i kroppen i lange perioder uden behov for en anden operation for at fjerne den, " sagde Yang. "Ud over sansning og billeddannelse, vi kan tilføje terapeutiske kemikalier, lægemidler eller biologiske molekyler til sygdomsbehandling."