En flexibel, biologiskt nedbrytbar optisk fiber som kan leverera ljus i kroppen för medicinska tillämpningar är det senaste arbetet i ett samarbete mellan elektriska ingenjörer och biomaterialingenjörer i Penn State's Materials Research Institute.

Förmågan att leverera ljus in i kroppen är viktig för laseroperationer, läkemedelsaktivering, optisk avbildning, diagnos av sjukdom, och inom optogenetik, experimentfältet där ljus används för att manipulera neurons funktion i hjärnan. Än, att leverera ljus till kroppen är svårt och kräver vanligtvis implantation av en optisk fiber av glas.

"Problemet är att synligt ljus bara kan tränga in på ett visst djup, kanske hundratals mikron, "sa Jian Yang, professor i biomedicinsk teknik, Penn State. "Nära infrarött ljus kan kanske tränga in några millimeter till en centimeter, men det räcker inte för att se vad som händer. "

För närvarande, människor använder glasfiber för att få in ljus i biologisk vävnad på djupet, men glas är sprött och är inte biologiskt nedbrytbart. Det kan bryta och skada vävnad om det implanteras. Forskare börjar se mot flexibla polymerfibrer som en lösning.

Yang uppfann tidigare en polymer baserad på citrat, en naturligt förekommande nyckelkomponent i ämnesomsättningen, som han utvecklade som en allmän plattform för biomedicinska tillämpningar, såsom biologiskt nedbrytbara benskruvar för benfixering, byggnadsställningar för vävnadsteknik och nanopartiklar för att leverera tidsfrisatta terapeutiska läkemedel. Nu, han samarbetar med Zhiwen Liu, Penn State professor i elektroteknik, med hjälp av Yangs citratbaserade polymer för att skapa en stegindexoptisk fiber för lätt leverans inuti kroppen.

En stegindexfiber har ett kärnmaterial som överför ljus och en beklädnad som skyddar kärnan och hindrar ljuset från att fly. Yangs laboratorium tillverkar och testar polymeren och tar sedan den till Lius laboratorium för att förvandlas till en fiber. När fibern väl har testats och finjusterats, Yangs laboratorium implanterar fibern i biologisk vävnad för testning.

"Föreliggande arbete visar den första citratbaserade flexibla biologiskt nedbrytbara polymera stegindexfibrerna, "sa Dingying Shan, en doktorsexamen student i Yangs grupp.

Shan är förste författare på en nyligen publicerad tidning Biomaterial , som beskriver deras arbete.

"Användningen av de citratbaserade polymererna möjliggör ultrafinjustering av brytningsindexskillnader mellan kärnan och beklädnadsskikten, "tillade den första författaren Chenji Zhang, en ny doktorsexamen examen i Lius grupp.

Eftersom kärnan och beklädnaden har identiska mekaniska egenskaper, den optiska fibern kan böjas och töjas utan att lagren dras isär, som kan hända med olika material. De två materialen kommer också att biologiskt nedbrytas i liknande hastigheter i kroppen, utan skada.

"Vi tror att denna nya typ av biologiskt nedbrytbart, biokompatibel och optisk fiber med låg förlust steg-index kan underlätta leverans och insamling av ljus i organskala, "Shan sa." Och att det kommer att bli ett möjliggörande verktyg för olika biomedicinska applikationer där lätt leverans, avbildning eller avkänning önskas, "Sa Shan.

"Denna nya typ av fiber skapar ett transparent fönster för att kika in i en grumlig vävnad, och kan möjliggöra nya möjligheter för bildbehandling, "Sa Liu.

Som ett inledande steg, laget mätte först fiberns ljusutbredningsegenskaper och använde sedan denna information för att demonstrera bildöverföring genom fibern.

"Eftersom materialet är giftfritt och biologiskt nedbrytbart, den citratbaserade fibern kan lämnas inuti kroppen under långa perioder utan att det behövs en andra operation för att ta bort den, "Yang sa." Förutom avkänning och avbildning, vi kan lägga till terapeutiska kemikalier, läkemedel eller biologiska molekyler för sjukdomsbehandling. "