Forskare vid Tufts University School of Engineering och Boston University har tillverkat och kännetecknat de första stora metamaterialstrukturerna som är mönstrade på implanterbara, biokompatibla silkesubstrat.

Forskningen i tidskriften Avancerade material , ger en lovande väg mot utvecklingen av en ny klass av metamaterialinspirerade implanterbara biosensorer och biodetektorer.

Metamaterial är konstgjorda elektromagnetiska kompositer, vanligtvis tillverkad av högledande metaller, vars strukturer svarar på elektromagnetiska vågor på ett sätt som atomer i naturmaterial inte gör. De mest futuristiska metamaterialen skulle absorbera allt ljus, att skapa värme för att förstöra cancervävnad, eller böja ljuset helt runt ett föremål, att göra objektet osynligt - en imaginär glädje för fans av science fiction eller spionromaner.

"Dock, metamaterialens verkliga kraft är möjligheten att konstruera material med ett användardesignat elektromagnetiskt svar vid en exakt kontrollerad målfrekvens. Detta öppnar dörren till nya elektromagnetiska beteenden som negativt brytningsindex, perfekt linser, perfekta absorberare och osynlighetskläder, "förklarar Tufts professor i biomedicinsk teknik Fiorenzo Omenetto, som ledde forskargruppen. Omenetto har också ett möte på Institutionen för fysik vid Tufts School of Arts and Sciences.

Teamet fokuserade på metamaterialsilkkompositer som är resonanta vid terahertz -frekvensen. Detta är frekvensen där många kemiska och biologiska medel visar unika "fingeravtryck, "som potentiellt kan användas för biosensing.

Små antenner fungerar som en

Forskarna sprutade guldbaserade metamaterialstrukturer direkt på färdiga sidenfilmer med mikrofabricerade stenciler med hjälp av en avdunstningsteknik för skuggmask. Att spruta metamaterialet på de flexibla sidenfilmerna skapade en komposit så böjlig att den kunde lindas in i små, kapselliknande cylindrar.

Sidenfilmer är mycket transparenta vid THz -frekvenser, så metamaterialsilkkompositer uppvisar ett starkt resonant elektromagnetiskt svar. Varje tillverkat prov var 1 kvadratcentimeter och innehöll 10, 000 metamaterialresonatorer med unikt resonanssvar vid önskade frekvenser.

Enligt Fiorenzo Omenetto, forskargruppen liknar konceptet med "en mycket märklig typ av antenn - faktiskt, många små antenner som beter sig som en. Metallmaterialet i siden är känsligt för silkesubstratets dielektriska egenskaper och kan övervaka interaktionen mellan siden och den lokala miljön. Till exempel, metamaterialet kan signalera förändringar i ett bioreaktivt silkesubstrat som har dopats med proteiner eller enzymer. "

Tillsatsen av ett rent biologiskt substrat som silke till guldmetamaterialet ger en enorm latitud och möjlighet för oförutsedda applikationer, säger professor Richard Averitt, en av Omenettos medarbetare från Boston University och en expert på metamaterial.

Resonanssvaret kan användas som en implanterbar elektromagnetisk signatur för kontrastmedel eller biospårningsapplikationer, säger medförfattaren Hu Tao, en tidigare doktorand vid Boston University som nu är postdoktor i Omenettos lab.

In Situ Bio-Sensing

För att demonstrera konceptet, forskarna genomförde en serie in vitro -experiment som undersökte det elektromagnetiska svaret på silkesmetamaterialen när de implanterades under tunna skivor av muskelvävnad. De fann att metamaterialen behöll sina nya resonansegenskaper medan de implanterades. Samma process kan enkelt anpassas för att tillverka silkesmetamaterial vid andra frekvenser, enligt Tao.

"Vår strategi ger stort löfte för applikationer som bio-sensing in situ med implanterad medicinsk utrustning och överföring av medicinsk information från människokroppen, "säger Omenetto." Föreställ dig fördelarna med att övervaka hastigheten på läkemedelsleverans från en läkemedelseluerande hjärtstent, gör en perfekt absorberare som kan implanteras för att attackera sjuk vävnad genom värme, eller svepa en 'osynlighetskappa' runt ett organ för att undersöka vävnaden bakom den. "