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研究人员已经开发出了一种由水凝胶制成的生物相容性和高拉伸性光纤

麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员已经开发出了一种由水凝胶制成的生物相容性和高拉伸性光纤,水凝胶是一种主要由水组成的弹性橡胶状材料。可以像甘草的绳索一样弯曲的纤维,有一天可以植入体内,以在疾病的第一个症状时发出治疗性的光脉冲或照亮。

研究人员说,这种纤维可以作为一种持久的植入物,可以在不破裂的情况下与人体一起弯曲和扭曲。该小组已将其结果在线发表在《高级材料》杂志上。

使用光激活细胞,特别是大脑中的神经元是一个非常活跃的领域,称为光遗传学,在该领域中,研究人员使用针状纤维将短脉冲的光传递到目标组织,通过该纤维他们可以发出来自LED光源的光。

麻省理工学院机械工程系Robert N. Noyce职业发展副教授赵宣和说:“但是大脑就像一碗果冻,而这些纤维就像玻璃一样,非常坚硬,可能会损坏大脑组织。” 。“如果这些纤维能够与大脑的柔韧性相匹配,它们可以提供长期更有效的刺激和治疗。”

进入核心

麻省理工学院的Zhao研究小组,包括研究生Liu Xinyue Liu和Hyunwoo Yuk,专门研究调节水凝胶的机械性能。研究人员已经设计出多种配方,可以用各种生物聚合物制造坚韧而柔韧的水凝胶。该团队还提出了将水凝胶与各种表面(例如金属传感器和LED)粘合的方法,以制造可拉伸的电子产品。

在与Seok-Hyun(Andy)Yun副教授领导的哈佛医学院生物光学小组的对话之后,研究人员才想到探索水凝胶在光纤中的用途。Yun的研究小组以前用水凝胶材料制造了一根光纤,该光纤成功地将光透过了光纤。但是,材料在弯曲或稍微拉伸时会破裂。相反,赵的水凝胶可以像太妃糖一样伸展和弯曲。这两个小组共同努力,寻找将赵的水凝胶纳入Yun的光纤设计的方法。

Yun的设计由包裹在外包层中的核心材??料组成。为了使最大量的光通过光纤的纤芯传输,纤芯和包层应使用折射率或弯曲程度完全不同的材料制成。

Yuk解释说:“如果这两件事太相似,那么无论任何通过光纤的光源都会消失。”“在光纤中,人们希望芯中的折射率要比包层高得多,因此,当光穿过芯时,它会从包层的界面反弹并停留在芯中。”

令人高兴的是,他们发现赵的水凝胶材料是高度透明的,并且具有理想的折射率作为核心材料。但是当他们试图用包层聚合物溶液涂覆水凝胶时,当纤维被拉伸或弯曲时,两种材料往往会剥离。

为了将两种材料粘合在一起,研究人员将共轭化学物质添加到包层溶液中,当包覆在水凝胶芯上时,会在两种材料的外表面之间产生化学键。

Yuk说:“它使包层中的羧基与核心材料中的胺基团(例如分子级胶)结合在一起。”

感应应变

研究人员通过使激光穿过各种长度的光纤来测试光纤的传播能力。每根光纤传输的光都没有明显的衰减或衰减。他们还发现,纤维可以拉伸到其原始长度的七倍而不会断裂。

现在,他们已经开发出了一种高度柔性和坚固的光纤,该光纤是由也具有生物相容性的水凝胶材料制成的,研究人员开始研究该光纤的光学特性,以了解他们是否可以设计出能够感知何时何地的光纤。被拉伸。

他们首先将红色,绿色和蓝色有机染料装载到纤维上,并沿纤维长度放置在特定位置。接下来,他们通过光纤发射激光,并拉伸了红色区域。他们测量了使光一直穿过光纤的光谱,并记录了红光的强度。他们认为,由于该区域被拉伸,该强度直接与红色染料吸收的光量有关。

换句话说,通过测量光纤远端的光量,研究人员可以定量确定光纤的延伸位置和延伸量。

“当您拉伸光纤的特定部分时,光纤那部分的尺寸以及区域吸收和散射的光量都会发生变化,因此,这种光纤可以用作应变传感器,” Liu解释。

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