Un flessibile, La fibra ottica biodegradabile in grado di fornire luce nel corpo per applicazioni mediche è l'ultimo lavoro di una collaborazione tra ingegneri elettrici e ingegneri dei biomateriali nel Materials Research Institute di Penn State.

La capacità di fornire luce nel corpo è importante per la chirurgia laser, attivazione del farmaco, imaging ottico, diagnosi di malattia, e in optogenetica, il campo sperimentale in cui la luce viene utilizzata per manipolare la funzione dei neuroni nel cervello. Ancora, fornire luce nel corpo è difficile e tipicamente richiede l'impianto di una fibra ottica in vetro.

"Il problema è che la luce visibile può penetrare solo fino a una certa profondità, forse centinaia di micron, " disse Jian Yang, professore di ingegneria biomedica, Penn State. "La luce infrarossa vicina potrebbe essere in grado di penetrare da pochi millimetri a un centimetro, ma questo non è abbastanza per vedere cosa sta succedendo".

Attualmente, le persone usano la fibra di vetro per ottenere luce nel tessuto biologico in profondità, ma il vetro è fragile e non è biodegradabile. Può rompere e danneggiare i tessuti se impiantato. I ricercatori stanno iniziando a considerare le fibre polimeriche flessibili come una soluzione.

Yang aveva precedentemente inventato un polimero a base di citrato, un ingrediente chiave naturale nel metabolismo, che ha sviluppato come piattaforma generale per applicazioni biomediche, come viti ossee biodegradabili per la fissazione ossea, scaffold per l'ingegneria dei tessuti e nanoparticelle per la somministrazione di farmaci terapeutici a rilascio prolungato. Ora, sta collaborando con Zhiwen Liu, Penn State professore di ingegneria elettrica, utilizzando il polimero a base di citrato di Yang per creare una fibra ottica step-index per la distribuzione della luce all'interno del corpo.

Una fibra step-index ha un materiale centrale che trasmette la luce e un rivestimento che protegge il nucleo e impedisce alla luce di fuoriuscire. Il laboratorio di Yang produce e testa il polimero e poi lo porta al laboratorio di Liu per trasformarlo in una fibra. Una volta che la fibra è stata testata e messa a punto, Il laboratorio di Yang impianta la fibra nel tessuto biologico per i test.

"Il presente lavoro dimostra la prima fibra polimerica flessibile biodegradabile a base di citrato, " disse Dingying Shan, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Yang.

Shan è co-primo autore di un recente articolo sulla rivista Biomateriali , che descrive il loro lavoro.

"L'uso dei polimeri a base di citrato consente una regolazione ultrafine delle differenze di indice di rifrazione tra il nucleo e gli strati di rivestimento, " ha aggiunto il co-primo autore Chenji Zhang, un recente dottorato di ricerca laureato nel gruppo di Liu.

Poiché il nucleo e il rivestimento hanno caratteristiche meccaniche identiche, la fibra ottica può piegarsi e allungarsi senza che gli strati si separino, come può succedere con materiali dissimili. I due materiali si biodegraderanno anche a velocità simili nel corpo, senza danno.

"Crediamo che questo nuovo tipo di biodegradabile, la fibra ottica biocompatibile e a bassa perdita di indice a gradini può facilitare la consegna e la raccolta della luce su scala d'organo, " Shan ha detto. "E che diventerà uno strumento abilitante per diverse applicazioni biomediche in cui la consegna della luce, l'imaging o il rilevamento sono desiderati, " disse Shan.

"Questo nuovo tipo di fibra crea una finestra trasparente per sbirciare in un tessuto torbido, e può consentire nuove opportunità per l'imaging, " ha detto Liù.

Come passaggio preliminare, il team ha prima misurato le caratteristiche di propagazione della luce della fibra e poi ha usato queste informazioni per dimostrare la trasmissione dell'immagine attraverso la fibra.

"Poiché il materiale è atossico e biodegradabile, la fibra a base di citrato potrebbe essere lasciata all'interno del corpo per lunghi periodi senza la necessità di un secondo intervento chirurgico per rimuoverla, " Yang ha detto. "Oltre al rilevamento e all'imaging, possiamo aggiungere prodotti chimici terapeutici, farmaci o molecole biologiche per il trattamento delle malattie".