Elektrische Signale steuern eine Vielzahl von Aktivitäten im menschlichen Körper, vom Austausch von Nachrichten zwischen Gehirnneuronen über die Stimulation des Herzmuskels bis hin zu Impulsen, die es Händen und Füßen ermöglichen, sich zu bewegen, und viele andere Beispiele. Um diese Signale für medizinische Zwecke zu überwachen oder zu modulieren, wurde gerade eine biokompatible und biologisch abbaubare optische Faser auf Basis von Agar, einer aus Gracilaria-Algen gewonnenen Substanz, entwickelt.
Die Forschung wurde von Eric Fujiwara geleitet, einem Professor an der School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) der State University of Campinas im Bundesstaat São Paulo, Brasilien; Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro am Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP); und Hiromasa Oku an der Gunma-Universität in Japan. Ein Artikel darüber ist veröffentlicht In Wissenschaftliche Berichte.
„Biokompatible Geräte sind unverzichtbar, wenn Glasfasern in medizinischen Anwendungen wie der Überwachung von Vitalwerten, der Phototherapie oder der Optogenetik eingesetzt werden.“ [a method of controlling and monitoring specific cells by combining optics, genetics and bioengineering], unter anderen. „Optische Fasern aus biologisch abbaubaren Materialien sind auch eine Alternative zu bestehenden Telekommunikationstechnologien auf Basis von Glas- oder Kunststofffasern“, sagte Fujiwara.
Die neuartige optische Faser wurde aus Agar hergestellt, einer natürlichen Gelatine, die aus Rotalgen gewonnen wird. Es ist transparent, flexibel, essbar und erneuerbar. Dieselben Forscher hatten zuvor eine biokompatible optische Faser auf Agarbasis als Sensor zur Überwachung der chemischen Konzentration und Luftfeuchtigkeit entwickelt.
„Der Produktionsprozess besteht im Wesentlichen aus dem Befüllen zylindrischer Formen mit Agarlösungen. Unsere neueste Forschung erweitert das Anwendungsspektrum und schlägt einen neuartigen optischen Sensor vor, der die elektrische Leitfähigkeit von Agar nutzt“, erklärte Fujiwara.
Wenn die Faser durch kohärentes Licht angeregt wird, erzeugt sie körnige Lichtmuster, die sich räumlich und zeitlich entwickeln. Während die im Medium vorhandenen elektrischen Ströme die Faser durchqueren, modulieren sie den Brechungsindex des Agars und erzeugen Störungen in den körnigen Mustern, die als Speckles bezeichnet werden.
„Die Analyse dieser Störungen ermöglicht es uns, die Größe und Richtung der elektrischen Reize mit zuverlässigen Messungen für Ströme von 100 Mikroampere oder sogar kleiner zu bestimmen.“ [μA]„, sagte Fujiwara.
Die Fähigkeit, so subtile elektrische Signale zu erkennen, könnte für mögliche biomedizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein. „Die Faser könnte in Sensorsystemen zur Überwachung bioelektrischer Reize im Gehirn oder in den Muskeln eingesetzt werden und als biologisch abbaubare Alternative zu herkömmlichen Elektroden dienen. In diesem Fall könnten die optischen Signale entschlüsselt werden, um Störungen zu diagnostizieren. Eine andere Möglichkeit wäre die Nutzung der „Glasfaser als zusätzliche Schnittstelle in Mensch-Computer-Verbindungen für Hilfs- oder Rehabilitationstechnologien“, sagte Fujiwara.
Die Reaktion des Sensors kann durch Anpassen der chemischen Zusammensetzung des Materials verbessert werden, und die Formbarkeit von Agar in verschiedene Geometrien ermöglicht die Herstellung von Linsen und anderen optischen Geräten mit Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Strom. Der wichtigste Vorteil besteht darin, dass die Ballaststoffe nach der Anwendung vom Organismus aufgenommen werden können, wodurch zusätzliche chirurgische Eingriffe entfallen.
Fujiwara betonte, dass dies noch immer reine Forschungsarbeit sei und technologische Anwendungen noch in weiter Ferne lägen, aber eine genaue Bestimmung der physikalischen Parameter der optischen Reaktion auf elektrischen Strom lege eine solide Grundlage für die künftige Herstellung biomedizinischer Geräte unter Verwendung der Faser.
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Eric Fujiwara et al., Agar-basierte optische Sensoren für elektrische Strommessungen, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-40749-7