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可拉伸水凝膠光纖

可拉伸水凝膠光纖。Credit: MIT@MIT News CC BY-NC-ND 3.0

人體的植入物材料開發,似乎已經不再是稀有的題材。然而要把植入物材料做到能夠像光纖傳遞光線,同時能隨人體活動時拉伸,又能具有相當的柔軟性,並且具有生物相容性,這樣具有以上多項特點的材料,仍是生醫材料開發上的挑戰。

光遺傳學

水凝膠材料目前已常用在3D生物細胞列印上,列印後再讓細胞自行生長。值得一提的是,水凝膠柔軟的特性可作為腦部植入物,相比之下,其他不能耐拉伸、剛性太高材料就顯得較不實用。有「光遺傳學」(optogenetics)的科學家,藉由像是針一般細的纖維,打短脈衝的LED光線到人體組織上,現已有研究證實光線可以啟動細胞,特別是腦部神經元。那麼如何建構一個能夠耐拉伸,又能傳遞光,抗斷裂等可植入人體的光纖呢?

水凝膠光纖

美國麻州理工學院(MIT)的科學家開發出一種能和各種材質接合的水凝膠,像是金屬外殼的感應器或LED等都可以與之結合,如此便可製造出具高度拉伸特性的電子產品。這種水凝膠光纖,核心材料外有一層覆蓋材料,為了讓光線能在核心傳遞,核心材料需要有較高的「折射指數」(refractive index),當光線經過核心材料,會因為外層的材料,光線在兩材料的相接處會折射且繼續留在核心材料中。而外層覆蓋層和核心材料間需要「共軛化學品」(conjugation chemical),讓外層「羧基群」(cayboxyl groups)和核心層的「胺基」(amine groups)以化學方式連結,如同分子階層的黏結一般。

在驗證此光纖的功能時,研究員看到了光線確實隨著距離加長而減弱,也發現水凝膠光纖能夠高度拉伸,達到原長度的七倍。在實驗上,研究員在光纖的不同部位載入紅、綠、藍等染料,然後以雷射光射入光纖,並且拉伸光纖,藉以了解紅色顏料區在拉伸後的紅光強度,並依此找出拉伸長度與光線強度的關聯。另一個方式,就是直接在光纖末端量測光量,藉此可以知道光纖被拉伸的量。針對以上特性,研究員表示,此種光纖可應用到「應變」(Strain,單位長度的變形量)量測方面。如同一條光纖上有數個可以植入或者穿戴的「應變規」(Strain Gauge),若能植入人類四肢,將有機會用來監測人體活動力的改變。

未來,是否也有機會將水凝膠光纖植入人體,監測組織發炎或者癌細胞的變化?

文章參考:MIT News
圖片來源:MIT@MIT News CC BY-NC-ND 3.0


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。