寒天

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13517 (2023) この記事を引用

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生分解性光導波路は、生物医学および環境用途における光の伝達と感知に対する画期的な技術です。 寒天は、食用で柔らかく、低コストで再生可能な従来のバイオポリマーの代替品として登場し、顕著な光学的および機械的特性を示します。 以前の研究では、湿度や周囲の濃度に対する固有の反応に基づいた化学測定用の寒天製光ファイバーが導入されました。 そこで、私たちは初めて全光学式の生分解性電流センサーを提案します。 流れる電荷が寒天マトリックスを加熱し、その屈折率を変調するため、ピンヘッダーを使用して光学デバイスを DC 電圧源に接続し、コヒーレント光で寒天サンプルを励起し、時空間的に偏ったスペックル フィールドを投影します。 実験は、２重量％の寒天／水を含む球体およびコアのない繊維を用いて進められた。 増加する電流がスペックルの動きを刺激すると、そのような画像をカメラで取得し、その相関係数を評価して、時定数が入力アンペア数を与える指数関数的減衰のような関数を生成します。 さらに、光の粒は印加された電圧降下の分極を追跡し、電流の方向に関する視覚的な情報を提供します。 その結果、電気刺激 \(\le \) 100 \(\upmu \)A に対する最大分解能は \(\sim \)0.4 \(\upmu \)A であり、生体電気信号評価の要件を満たしています。

分解性材料で製造された光学デバイスは、生体適合性および環境に優しい技術に対する需要の高まりを満たす有望な候補として浮上しています。 埋め込み型導波路は、ヘルスケア、イメージング、薬物送達、および光遺伝学における光駆動の評価と作動を可能にし、使用後の生体による緩やかな吸収を保証します。 現在では、シルクフィブロイン6とセルロース7、アルギン酸8、クエン酸9、ポリカプロラクトン10、ポリ(d,l-乳酸)11などのバイオポリマーで作られた導波路が、許容可能な伝送損失を達成することで、一般的なガラスやプラスチックの光ファイバーの代替として利用可能になっています。 ただし、これらのアプローチのほとんどは、比較的高価な前駆体と精巧な製造ルートに依存しています。

これに関連して、紅藻類から得られる寒天は、光学部品や導波管を構成するための食用で再生可能な代替品として浮上しています。 寒天の組成には多糖類のアガロースとアグロペクチンが含まれており、前者がゲル化能力を発揮します。 この材料は、成形性、柔軟性、化学的安定性、低温でのゲル化、熱可逆性などの特異な特徴を示します12、13、14。 さらに、バルクサンプルの機械的および光学的特性 (剛性、屈折率、透明度など) は、寒天溶液の化学組成を選択することによって調整できます。 このゲル状材料の代表的な用途には、人工組織、バイオプラスチック、微生物の増殖培地が含まれます 13,14。

食品産業や生化学分析における伝統的な用途にもかかわらず、寒天で作られた光学デバイスを取り上げた文献はほとんどありません。 たとえば、奥ら。 食品内で仮想現実セットアップを作成するために、食用レンズと再帰反射板を開発しました15、16。 マノッキら。 は、寒天とゼラチンの層で構成される平面導波路を作成し、移植可能な生化学モニターとしてのさらなる使用を期待しています17。 ジェインら。 は、細胞の固定化とイメージングの目的でマイクロ流体システムに統合された方形導波管を導入し、 \(\le 13\) dB/cm 18 の光損失を達成しました。 最後に、私たちのグループは、空孔に囲まれた固体コアを含む寒天で作られた構造化光ファイバーを実証しました。 実験では光損失 (3.3 dB/cm) を評価し、化学センシングにおける応用の可能性を調査しました 19。

寒天は本質的に周囲の培地の濃度、温度、湿度、pH に応答するため、さまざまな物理的および生化学的パラメーターを検出できます。 ヒドロゲルフィルム20、21、22でコーティングされたガラス光ファイバーを含む通常のセットアップとは別に、寒天導波路は、膨潤機構と離水機構によりそれぞれ水滴を吸収または排出する可能性があり23、透過光を乱す幾何学的変化を引き起こす可能性があります19。 さらに、寒天溶液に砂糖またはグリセロールを添加することでバルクサンプルの屈折率を調整し、繊維の外側または穴の開いた構造を通って内部を流れる液体に対する感度を高めることができます19。