Электрические сигналы контролируют огромное количество процессов в организме человека, от взаимодействия между нейронами и стимуляции сердечной мышцы до импульсов, которые позволяют рукам и ногам двигаться. Для мониторинга или изменения этих сигналов в медицинских целях недавно в Бразилии разработали биосовместимое и биоразлагаемое оптоволокно на основе вещества из морских водорослей.
Исследованием руководил профессор Школы машиностроения Государственного университета Кампинас Эрик Фудживара. Профессор рассказал, что биосовместимая волоконная оптика незаменима в медицинских целях: для мониторинга жизненно важных органов, фототерапии или оптогенетики, то есть контроля над клетками путём сочетания оптики, генетики и биоинженерии. Оптические волокна из биоразлагаемых материалов также могут стать альтернативой существующим телекоммуникационным технологиям на основе стеклянных или пластиковых волокон, добавил учёный.
Новое оптическое волокно добыли из агара, натурального желеобразователя из красных водорослей. Он прозрачный, гибкий, безвредный и возобновляется самой природой. Те же исследователи ранее разработали биосовместимое оптическое волокно на основе агара в качестве датчика для контроля концентрации химических веществ и влажности. Вообще, агар — широко распространённое вещество. Например, он используется как растительный заменитель желатина в кондитерских изделиях.
Производственный процесс состоит в основном из заполнения цилиндрических форм растворами агара. Наше последнее исследование расширяет диапазон применений, предлагая новый тип оптического датчика, который усиливает электропроводность агара
— Эрик Фудживара, профессор Школы машиностроения Государственного университета Кампинас.
Когда на волокно воздействуют концентрированным светом, оно выдаёт узоры, которые изменяются в пространстве и времени. Поскольку электрические токи в определённой среде проходят через волокно, они меняют показатель преломления агара и влияют на гранулированные узоры, которые известны как спеклы. Термин спекл или спекл-структура произошёл от английского speckle — «крапинка, пятнышко», так как это случайная картина при взаимной интерференции волн. На такой картине, как правило, можно отчётливо наблюдать светлые пятна, крапинки (их и называют спеклами), которые разделены тёмными участками изображения. Итак, анализ помех позволил бразильским учёным определять величину и направление электрических стимулов с помощью надежных измерений токов, равных 100 микроампер или даже меньших.
Способность обнаруживать столь малые электрические сигналы может иметь важное значение для биомедицинского применения. Волокно из водорослей можно будет использовать в сенсорных системах для мониторинга биоэлектрических стимулов в мозге или мышцах, то есть оно можно служить биоразлагаемой альтернативой медицинским электродам. В таком случае оптические сигналы можно декодировать для диагностики нарушений. Другая возможность — использовать волокно в качестве вспомогательного средства в смычке «человек-компьютер» для вспомогательных технологий или реабилитации.
Отклик сенсора можно улучшить, регулируя химический состав материала. А возможность придавать агару различную форму означает, что его можно использовать для изготовления линз и других оптических устройств, чувствительных к электрическому току. Наиболее важное преимущество в том, что волокно может усваиваться организмом после использования, избегая дополнительных хирургических вмешательств.
Но речь пока ещё идёт о лабораторных исследованиях, подчеркнул Фудзивара, и до технологических применений ещё далеко. Но тщательное определение физических параметров оптического отклика на электрический ток закладывает прочную основу для будущего изготовления биомедицинских устройств с использованием растворимого волокна.
