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Jun 30, 2023

ágar

Relatórios Científicos volume 13, número do artigo: 13517 (2023) Citar este artigo 231 Detalhes das métricas de acesso Guias de onda ópticos biodegradáveis ​​são tecnologias inovadoras para transmissão e detecção de luz

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13517 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Guias de onda ópticos biodegradáveis ​​são tecnologias inovadoras para distribuição e detecção de luz em aplicações biomédicas e ambientais. O ágar surge como uma alternativa comestível, macia, de baixo custo e renovável aos biopolímeros tradicionais, apresentando características ópticas e mecânicas notáveis. Trabalhos anteriores introduziram fibras ópticas feitas de ágar para medições químicas com base em sua resposta inerente à umidade e à concentração circundante. Portanto, propomos, pela primeira vez, um sensor de corrente elétrica totalmente óptico e biodegradável. À medida que as cargas fluidas aquecem a matriz de ágar e modulam seu índice de refração, conectamos o dispositivo óptico a uma fonte de tensão CC usando conectores de pinos e excitamos a amostra de ágar com luz coerente para projetar campos de manchas que se desviam espaço-temporalmente. As experiências prosseguiram com esferas e fibras sem núcleo compreendendo 2% em peso de ágar/água. Uma vez que a corrente crescente estimula o movimento das manchas, adquirimos essas imagens com uma câmera e avaliamos seus coeficientes de correlação, produzindo funções semelhantes a decaimento exponencial cujas constantes de tempo fornecem a amperagem de entrada. Além disso, os grânulos de luz seguem a polarização da queda de tensão aplicada, fornecendo informações visuais sobre a direção da corrente. Os resultados indicam uma resolução máxima de \(\sim \)0,4 \(\upmu \)A para estímulos elétricos \(\le \) 100 \(\upmu \)A, o que atende aos requisitos para avaliação de sinais bioelétricos.

Dispositivos ópticos fabricados com materiais degradáveis ​​surgem como candidatos promissores para atender à crescente demanda por tecnologias biocompatíveis e verdes. Guias de onda implantáveis ​​permitem avaliação e atuação orientadas pela luz em cuidados de saúde, imagem, distribuição de medicamentos e optogenética1,2,3,4,5, garantindo absorção gradual pelo organismo após seu uso. Hoje em dia, guias de ondas feitos de fibroína de seda6 e biopolímeros como celulose7, alginato8, citrato9, policaprolactona10 e poli(d,l-ácido láctico)11 estão disponíveis para substituir fibras ópticas típicas de vidro e plástico, obtendo perdas de transmissão toleráveis. No entanto, a maioria destas abordagens depende de precursores relativamente caros e de rotas de fabricação elaboradas.

Neste contexto, o ágar obtido a partir de algas vermelhas surge como uma alternativa comestível e renovável para a concepção de componentes ópticos e guias de ondas. O ágar contém em sua composição os polissacarídeos agarose e agropectina, sendo que o primeiro institui sua capacidade gelificante. Este material apresenta características singulares como moldabilidade, flexibilidade, estabilidade química, gelificação a baixas temperaturas e termorreversibilidade . Além disso, as propriedades mecânicas e ópticas das amostras a granel (rigidez, índice de refração, transparência, etc.) são personalizáveis ​​pela escolha da composição química da solução de ágar. As aplicações emblemáticas deste material semelhante a gel abrangem tecidos artificiais, bioplásticos e meios de crescimento para microrganismos .

Apesar de seus usos tradicionais na indústria alimentícia e em análises bioquímicas, a literatura escassa abrange dispositivos ópticos feitos de ágar. Por exemplo, Oku et al. desenvolveram lentes comestíveis e retrorrefletores para criar configurações de realidade virtual em alimentos15,16. Manocchi et al. criaram um guia de ondas planar composto por camadas de ágar e gelatina, antecipando o uso posterior como monitor bioquímico implantável . Jain et al. introduziram um guia de ondas retangular integrado a um sistema microfluídico para imobilização celular e fins de imagem, alcançando perdas ópticas de \(le 13\) dB/cm18. Por fim, nosso grupo demonstrou uma fibra óptica estruturada feita de ágar compreendendo um núcleo sólido rodeado por orifícios de ar. Os experimentos avaliaram perdas ópticas (3,3 dB/cm) e investigaram possíveis aplicações em sensoriamento químico19.

O ágar responde intrinsecamente à concentração, temperatura, umidade e pH do meio circundante, tornando-o elegível para detectar diversos parâmetros físicos e bioquímicos. Além das configurações usuais que compreendem fibras ópticas de vidro revestidas com filmes de hidrogel , um guia de ondas de ágar pode absorver ou expelir gotículas de água devido aos mecanismos de inchaço e sinérese , respectivamente, produzindo alterações geométricas que perturbam a luz transmitida . Além disso, pode-se ajustar o índice de refração da amostra global adicionando açúcar ou glicerol à solução de ágar, aumentando sua sensibilidade aos líquidos que fluem para fora da fibra ou internamente através da estrutura perfurada .