生病了？体内光纤来帮忙！

材料牛注：如果我们身体出现一些不易发现的疾病，只有在体检或是病情严重的时候才会被我们发觉。但是，麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员研发出了一种水凝胶制成的光纤，不但柔软坚韧还具有生物相容性。将它植入体内，可以帮助我们预测疾病，同时，它还能作为可拉伸应变传感器使用。小光纤可是有大用途呢！

麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员开发了一种由水凝胶制成的具有生物相容性和高伸缩性的纤维，水凝胶是一种主要由水组成的弹性橡胶材料，所以该纤维可以像绳子一样弯曲，有望被植入体内以便在疾病初期治疗时往体外传递光脉冲反馈。

研究人员表示该纤维可以作为一种持久的植入体，并不会因为人体的弯曲和扭曲而失效。目前该成果已在“Advanced Materials”上发表。

研究人员使用针状纤维向目标组织递送LED短波脉冲，通过光来激活细胞，特别是大脑中的神经元，这一热门研究领域被称为光遗传学。

"我们的大脑就像一个果冻，而纤维就像非常硬的玻璃，植入纤维就可能会损伤脑组织。但是如果这些纤维足够柔软与坚韧，它们就可以提供长期有效的刺激和治疗。”麻省理工学院机械工程系副教授Xuanhe Zhao说道。

纤芯材料

麻省理工学院Zhao率领的研究团队，包括研究生Xinyue Liu和Hyunwoo Yuk在内，致力于研究水凝胶的机械性能。他们设计出了多种方法，可通过生物大分子来合成坚韧柔软的水凝胶。该团队还提出了将水凝胶与各种表面（例如金属传感器和LED）结合来制备得到可拉伸电子器件的方法。

研究人员与哈佛医学院Seok-Hyun（Andy）Yun率领的生物光学小组交流后，一致认为可以将水凝胶应用于光学纤维中。 Yun的团队以前就尝试过利用水凝胶材料来制造光学纤维且成功地通过光纤来传输光，但在弯曲或轻微拉伸情况下，该纤维极易发生断裂。相比之下，Zhao的研究团队制备出的水凝胶可以像太妃糖一样伸展和弯曲。所以两个团体决定进行合作，希望能找到一个方法将Zhao团队制备出的水凝胶应用于Yun团队的光纤设计中。

Yun团队设计的光纤由包层和纤芯组成。为使光纤的透光率最大，纤芯和包层的折射率需相差较大。“如果纤芯和包层的折射率差距太小，无论什么光通过光纤传输后都会消失，”Yuk解释说。“在光纤中，相对于包层而言，我们希望纤芯具有较高的折射率。因此，当纤芯传输光时，光可以通过包层的界面反弹保持在纤芯内，从而降低传输过程中的光损耗。

令人高兴的是，Yun团队的研究人员发现Zhao团队制备的水凝胶材料是高度透明的，并且具有作为纤芯材料的理想的折射率。但是当他们试图用聚合物溶液包覆水凝胶时，两种材料在纤维被拉伸或弯曲时倾向于剥离。

为了将这两种材料结合在一起，研究人员在聚合物溶液中添加了一些共轭化合物，再将其包覆到水凝胶纤芯材料上，使得两种材料的外表面发生化学键连接。“包层中的羧基和纤芯材料中的胺基结合形成分子键连接，就像分子水平的胶水一样将两种材料结合在一起”Yuk说道。

应变传感光纤

研究人员通过用不同波长的激光来测试光纤传播光的能力。经过测试，光纤传输后的光强没有明显衰减，他们还发现，这种纤维可以拉伸超过其原始长度的七倍而不发生断裂。

现在，他们已经制备出了一种由水凝胶材料形成的光纤，该光纤高度灵活且坚韧，同时满足生物相容性。接着，研究人员希望能利用光纤的光学性能设计出一款光纤，通过该光纤可以测量出光纤拉伸的时间和地点。

他们首先将红色，绿色和蓝色的有机染料涂覆到纤维上，并将纤维放置到一个特定区域，例如红色区域，接下来，激光照射并拉伸纤维。他们测量了光纤传输后光线的光谱，并记录红光的强度。由于该区域被拉伸，他们认为该强度直接与红色染料吸收的光的量相关。

换句话说，通过测量光纤远端的光量，研究人员可以定量地确定光纤拉伸的位置和数量。

“当纤维的某一部分被拉伸时，这部分纤维的尺寸改变，从而使得该区域吸收和散射的光强发生变化，通过这种方式，这种纤维可以作为应变传感器使用。”Liu解释说道。

“这就像通过单根光纤的多张力传感器，因此，它可以作为是一个可植入或可穿戴式的应变计”Yuk补充说。

研究人员认为，这种可拉伸应变传感光纤可以根据患者手臂或腿的长度植入或安装，以提高流动性体征监测。

Zhao设想纤维也可以作为传感器，在有疾病的时候发生响应。他说：“我们可以使用光纤进行长期的诊断，以光学监测肿瘤或炎症，这是一个强有力有效的应用领域。”

塔夫茨大学生物工程教授Fiorenzo Omenetto没有参与这项工作，但他表示：“水凝胶纤维非常有趣，并且为人体内植入光纤提供了可能性。下一步将要努力优化和管理纤维的物理和机械性能，这一步非常重要，因为它将有望实现医疗相关性的实际应用。

原文链接: Stretchy Optical Fibers for Implanting in the Body.

文献链接: Hydrogels: Surface Acoustic Waves Grant Superior Spatial Control of Cells Embedded in Hydrogel Fibers.

本文由编辑部杨树提供素材，应豆编译，点我加入材料人编辑部。