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Jun 30, 2023

Agar

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13517 (2023) Cita questo articolo 231 Accessi Dettagli metriche Le guide d'onda ottiche biodegradabili sono tecnologie innovative per l'erogazione e il rilevamento della luce

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13517 (2023) Citare questo articolo

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Le guide d'onda ottiche biodegradabili sono tecnologie rivoluzionarie per l'erogazione e il rilevamento della luce in applicazioni biomediche e ambientali. L’agar emerge come un’alternativa commestibile, morbida, a basso costo e rinnovabile ai biopolimeri tradizionali, presentando notevoli caratteristiche ottiche e meccaniche. Lavori precedenti hanno introdotto fibre ottiche realizzate in agar per misurazioni chimiche in base alla loro risposta intrinseca all'umidità e alla concentrazione circostante. Pertanto, proponiamo, per la prima volta, un sensore di corrente elettrica completamente ottico e biodegradabile. Mentre le cariche fluenti riscaldano la matrice di agar e ne modulano l'indice di rifrazione, colleghiamo il dispositivo ottico a una sorgente di tensione CC utilizzando connettori maschio ed eccitiamo il campione di agar con luce coerente per proiettare campi maculati devianti spaziotemporalmente. Gli esperimenti sono proseguiti con sfere e fibre senza nucleo comprendenti il ​​2% in peso di agar/acqua. Una volta che la corrente crescente stimola il movimento dei granelli, acquisiamo tali immagini con una fotocamera e valutiamo i loro coefficienti di correlazione, ottenendo funzioni simili a decadimento esponenziale le cui costanti di tempo forniscono l'amperaggio in ingresso. Inoltre, i granuli di luce seguono la polarizzazione della caduta di tensione applicata, fornendo informazioni visive sulla direzione della corrente. I risultati indicano una risoluzione massima di \(\sim \)0,4 \(\upmu \)A per stimoli elettrici \(\le \) 100 \(\upmu \)A, che soddisfa i requisiti per la valutazione del segnale bioelettrico.

I dispositivi ottici fabbricati con materiali degradabili emergono come candidati promettenti per soddisfare la crescente domanda di tecnologie biocompatibili ed ecologiche. Le guide d'onda impiantabili consentono la valutazione e l'attuazione guidate dalla luce in ambito sanitario, imaging, somministrazione di farmaci e optogenetica1,2,3,4,5, garantendo un assorbimento graduale da parte dell'organismo dopo l'uso. Al giorno d'oggi, sono disponibili guide d'onda realizzate in fibroina di seta6 e biopolimeri come cellulosa7, alginato8, citrato9, policaprolattone10 e poli(acido d,l-lattico)11 per sostituire le tipiche fibre ottiche in vetro e plastica ottenendo perdite di trasmissione tollerabili. Tuttavia, la maggior parte di questi approcci dipende da precursori relativamente costosi e da percorsi di fabbricazione elaborati.

In questo contesto, l’agar ottenuto dalle alghe rosse si pone come alternativa commestibile e rinnovabile per concepire componenti ottici e guide d’onda. L'agar contiene nella sua composizione i polisaccaridi agarosio e agropectina, il primo che ne determina la capacità gelificante. Questo materiale presenta caratteristiche singolari come modellabilità, flessibilità, stabilità chimica, gelificazione a basse temperature e termoreversibilità12,13,14. Inoltre, le proprietà meccaniche e ottiche dei campioni sfusi (rigidità, indice di rifrazione, trasparenza, ecc.) sono personalizzabili scegliendo la composizione chimica della soluzione di agar. Applicazioni emblematiche di questo materiale gelatinoso comprendono tessuti artificiali, bioplastiche e mezzi di crescita per microrganismi13,14.

Nonostante i suoi usi tradizionali nell'industria alimentare e nelle analisi biochimiche, la letteratura scarsa copre i dispositivi ottici realizzati in agar. Ad esempio, Oku et al. ha sviluppato lenti commestibili e retroriflettori per creare configurazioni di realtà virtuale negli alimenti15,16. Manocchi et al. ha creato una guida d'onda planare comprendente strati di agar e gelatina, anticipandone l'ulteriore utilizzo come monitor biochimico impiantabile17. Jain et al. ha introdotto una guida d'onda rettangolare integrata in un sistema microfluidico per l'immobilizzazione cellulare e scopi di imaging, ottenendo perdite ottiche di \(\le 13\) dB/cm18. Infine, il nostro gruppo ha dimostrato una fibra ottica strutturata fatta di agar comprendente un nucleo solido circondato da fori per l'aria. Gli esperimenti hanno valutato le perdite ottiche (3,3 dB/cm) e hanno studiato le possibili applicazioni nel rilevamento chimico19.

L'agar è intrinsecamente sensibile alla concentrazione, alla temperatura, all'umidità e al pH del mezzo circostante, rendendolo idoneo alla rilevazione di diversi parametri fisici e biochimici. Oltre alle consuete configurazioni comprendenti fibre ottiche di vetro rivestite con pellicole di idrogel20,21,22, una guida d'onda di agar può assorbire o espellere gocce d'acqua a causa dei meccanismi di rigonfiamento e sineresi23, rispettivamente, producendo cambiamenti geometrici che disturbano la luce trasmessa19. Inoltre, è possibile regolare l'indice di rifrazione del campione globale aggiungendo zucchero o glicerolo alla soluzione di agar, migliorandone la sensibilità ai liquidi che fluiscono all'esterno della fibra o all'interno attraverso la struttura bucata19.