Implanterbare silkemetamaterialer kunne fremme biomedicin, biosensing

Forskere ved Tufts University School of Engineering og Boston University har fremstillet og karakteriseret de første store metamaterialestrukturer mønstret på implanterbare, biokompatible silkesubstrater.

Forskningen i tidsskriftet Avancerede materialer , giver en lovende vej mod udviklingen af ​​en ny klasse af metamateriale-inspirerede implanterbare biosensorer og biodetektorer.

Metamaterialer er kunstige elektromagnetiske kompositter, typisk lavet af stærkt ledende metaller, hvis strukturer reagerer på elektromagnetiske bølger på måder, som atomer i naturlige materialer ikke gør. De mest futuristiske metamaterialer ville absorbere alt lys, at skabe varme for at ødelægge kræftvæv, eller bøj lyset helt rundt om en genstand, gør det objekt usynligt - en imaginær glæde for fans af science fiction eller spionromaner.

"Imidlertid, metamaterialers virkelige kraft er muligheden for at konstruere materialer med en brugerdesignet elektromagnetisk reaktion ved en præcist kontrolleret målfrekvens. Dette åbner døren for ny elektromagnetisk adfærd, såsom negativt brydningsindeks, perfekt linse, perfekte absorbere og usynlighedskapper, " forklarer Tufts professor i biomedicinsk teknik Fiorenzo Omenetto, der ledede forskerholdet. Omenetto har også en ansættelse i Institut for Fysik på Tufts School of Arts and Sciences.

Holdet fokuserede på metamateriale silkekompositter, der er resonans ved terahertz-frekvensen. Dette er hyppigheden, hvor mange kemiske og biologiske midler viser unikke "fingeraftryk, " som potentielt kan bruges til biosensing.

Små antenner fungerer som én

Forskerne sprøjtede guldbaserede metamaterialestrukturer direkte på præfabrikerede silkefilm med mikrofabrikerede stencils ved hjælp af en skyggemaske-fordampningsteknik. Sprøjtning af metamaterialet på de fleksible silkefilm skabte en komposit så bøjelig, at den kunne pakkes ind i små, kapsellignende cylindre.

Silkefilm er meget gennemsigtige ved THz-frekvenser, så metamateriale silke kompositter viser en stærk resonans elektromagnetisk respons. Hver fremstillet prøve var 1 kvadratcentimeter og indeholdt 10, 000 metamateriale resonatorer med unik resonansrespons ved de ønskede frekvenser.

Ifølge Fiorenzo Omenetto, forskerholdet sammenligner konceptet med "en meget ejendommelig slags antenne - faktisk, en masse små antenner, der opfører sig som én. Silkemetamaterialekompositten er følsom over for silkesubstratets dielektriske egenskaber og kan overvåge interaktionen mellem silken og det lokale miljø. For eksempel, metamaterialet kan signalere ændringer i et bioreaktivt silkesubstrat, der er blevet dopet med proteiner eller enzymer."

Tilføjelsen af ​​et rent biologisk substrat såsom silke til guldmetamaterialet tilføjer en enorm breddegrad og mulighed for uforudsete anvendelser, siger professor Richard Averitt, en af ​​Omenettos samarbejdspartnere fra Boston University og en ekspert i metamaterialer.

Resonansresponsen kan bruges som en implanterbar elektromagnetisk signatur til kontrastmidler eller biosporingsapplikationer, siger medforfatter Hu Tao, en tidligere kandidatstuderende fra Boston University, som nu er postdoc i Omenettos laboratorium.

In Situ Bio-Sensing

For at demonstrere konceptet, forskerne gennemførte en række in vitro-eksperimenter, der undersøgte den elektromagnetiske reaktion af silkemetamaterialerne, når de blev implanteret under tynde skiver af muskelvæv. De fandt ud af, at metamaterialerne beholdt deres nye resonansegenskaber, mens de blev implanteret. Den samme proces kunne let tilpasses til at fremstille silkemetamaterialer ved andre frekvenser, ifølge Tao.

"Vores tilgang giver store løfter for applikationer såsom in situ bio-sensing med implanteret medicinsk udstyr og transmission af medicinsk information inde fra den menneskelige krop, " siger Omenetto. "Forestil dig fordelene ved at overvåge hastigheden af ​​lægemiddellevering fra en lægemiddel-eluerende hjertestent, lave en perfekt absorber, der kan implanteres for at angribe sygt væv med varme, eller at vikle en 'usynlighedskappe' rundt om et organ for at undersøge vævet bagved."