För första gången, Forskare har tillverkat avkänningselement som kallas fiber Bragg-gitter inuti optiska fibrer utformade för att lösas upp helt inuti kroppen. De bioresorberbara fibrerna Bragg-gittren kan användas för övervakning av benfrakturläkning i kroppen och för säkrare utforskning av känsliga organ som hjärnan.

Ett fiber Bragg-gitter är ett optiskt element inskrivet i en optisk fiber, som används flitigt som avkänningsinstrument. Även om fiber Bragg-galler ofta används för tillämpningar som realtidsövervakning av broars strukturella hälsa eller spårning av integriteten hos flygplansvingar, tills nu har de inte uppvisat egenskaper som föredras för användning i kroppen. Med en design som gör att de går sönder på samma sätt som lösbara stygn, de nya glasfibrerna ska vara säkra för patienter även om de av misstag går sönder, enligt forskarna.

"Vårt arbete banar väg mot optiska fibersensorer som säkert kan sättas in i människokroppen, sa Maria Konstantaki, en medlem av forskargruppen från Institute of Electronic Structure and Laser (IESL) av Foundation of Research and Technology - Hellas (FORTH), Grekland, som tillverkade och karakteriserade de nya gallren. "Eftersom de löses upp, dessa sensorer behöver inte tas bort efter användning och skulle möjliggöra nya sätt att utföra effektiva behandlingar och diagnoser i kroppen."

FORTH forskarna samarbetade med forskare från Politecnico di Torino och Istituto Superiore Mario Boella, Italien, som utvecklade, tillverkade och karakteriserade den speciella optiska fiber som användes för arbetet. I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskarna visar att galler etsade i den bioresorberbara glasfibern löses upp under förhållanden som simulerar människokroppens.

De nya bioresorberbara optiska fibrerna Bragg-gittren kan användas för att känna av tryck i lederna eller fungera som små sonder som säkert kan nå och bedöma hjärtat och andra ömtåliga organ. Laserbaserade tekniker för att ta bort tumörer kan också förbättras med dessa optiska fibergitter, som samtidigt kan leverera laserstrålen och ge den exakta temperaturavkänning i realtid som krävs för att övervaka laserablationsprocessen.

"Detta är första gången som ett allmänt använt och välkalibrerat optiskt element som ett Bragg-gitter etsats in i en bioresorberbar optisk fiber, ", sa Konstantaki. "Vårt tillvägagångssätt skulle potentiellt kunna användas för att skapa olika typer av sammankopplade strukturer i eller på bioresorberbara optiska fibrer, tillåter ett brett utbud av avkännings- och biokemiska analystekniker att utföras inuti kroppen."

Att göra glas som löses upp

För att skapa optiska fiber Bragg-galler som säkert kan användas i kroppen, forskarna utvecklade en speciell typ av glas gjord av fosforoxid i kombination med oxider av kalcium, magnesium, natrium och kisel. "Detta glas kombinerar utmärkta optiska egenskaper med biokompatibilitet och vattenlöslighet, vilket ger en pålitlig plattform för att tillverka optiska fibrer som löses upp i vatten eller biologiska vätskor, " sa Daniel Milanese från Politecnico di Torino. "De optiska fibrernas egenskaper kan justeras genom att ändra glassammansättningen på rätt sätt."

Optisk fiber Bragg-gitter skapas genom att använda en laser för att inskriva en optisk fiber med ett mönster som får fibern att reflektera en specifik våglängd tillbaka i den riktning som den kom ifrån. En typ av galler som kallas Bragg-gitter för tilted optisk fiber tillåter en del av det reflekterade ljuset att strömma ut från fiberkärnan och komma in i den omgivande beklädnaden. Lutade galler används ofta för avkänning eftersom förändringar på den fibercylindriska ytan modifierar det bakåtreflekterade ljuset på ett sätt som kan övervakas.

Forskarna skapade bragg-gitter för både lutande och standardoptiska fibrer för att bättre förstå hur parametrarna som används för inskription påverkade gallrets avkänningsegenskaper. De fann att exponering av den bioresorberbara fibern för ultraviolett laserljus med en given rumslig intensitetsfördelning – som beskriver hur laserstrålens kraft fördelas – skapade ett motsvarande ytreliefmönster i den optiska fibervolymen efter upplösning.

"Detta fynd banar väg för nya tillämpningar av dessa typer av material, speciellt i fiberform, sa Stavros Pissadakis, som leder FORTH gruppen. "Komplexa fluidiska eller optiska strukturer kan skapas med hjälp av lasrar för att göra en enhet med en mängd skräddarsydda funktioner."

Efter att ha bekräftat att mönstren skapade av inskriptionsprocessen fungerade som ett fiber Bragg-gitter, forskarna sänkte ner fibrer med och utan fiber Bragg-galler i en lösning som simulerade människokroppens pH- och temperaturförhållanden i 56 timmar. De fann att glaset som etsat med laserljus löstes upp snabbare än oexponerat glas.

Forskarna utför nu systematiska experiment för att bättre förstå hur fibersammansättningen och ultravioletta laserstrålningsförhållanden påverkar hastigheten med vilken fiber Bragg-gittret löses upp. Denna information kan användas för att skapa fiber Bragg-gitter som löses upp inom en viss tidsperiod. Innan den används i människor, upplösnings- och avkänningsegenskaperna hos fiber Bragg-galler kommer att behöva studeras på djur.