Το μετάξι αράχνης έχει ανώτερες ιδιότητες όπως ελαστικότητα, αντοχή σε εφελκυσμό, βιοδιασπασιμότητα και βιοσυμβατότητα. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, διάφορα οπτικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε βιοϊατρικές εφαρμογές έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μετάξι αράχνης.
Σε αυτή τη μελέτη, ερευνητές από το Taiwan Instrument Research Institute και το Taipei Medical University ανέπτυξαν μια εξαιρετικά ευαίσθητη οπτική ίνα αισθητήρα ζάχαρης αξιοποιώντας τις ιδιότητες καθοδήγησης φωτός του μεταξιού αράχνης. Ο αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει και να μετρήσει μικρές αλλαγές στον δείκτη διάθλασης ενός βιολογικού διαλύματος, συμπεριλαμβανομένης της γλυκόζης και άλλων τύπων διαλυμάτων ζάχαρης.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Cheng-Yang Liu από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Yang-Ming Chiao Tung στην Ταϊβάν είπε: «Οι αισθητήρες γλυκόζης είναι ζωτικής σημασίας για τα άτομα με διαβήτη, αλλά αυτές οι συσκευές τείνουν να είναι επεμβατικές, άβολες και όχι οικονομικά αποδοτικές. Με μετάξι αράχνης προσελκύοντας την προσοχή για τις ανώτερες οπτομηχανικές του ιδιότητες, θέλαμε να εξερευνήσουμε χρησιμοποιώντας αυτό το βιοσυμβατό υλικό για να ανιχνεύσουμε διάφορες συγκεντρώσεις σακχάρου σε πραγματικό χρόνο οπτικά.»
Ο αισθητήρας είναι πρακτικός, επαναχρησιμοποιήσιμος, συμπαγής, βιοσυμβατός, οικονομικά αποδοτικός και εξαιρετικά ευαίσθητος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων σακχάρων φρουκτόζης, σακχαρόζης και γλυκόζης με βάση τις αλλαγές στον δείκτη διάθλασης ενός διαλύματος. Καθώς είναι συμπαγής, θα μπορούσε να επιτρέψει την πρόσβαση σε δυσπρόσιτες περιοχές όπως η εγκέφαλος και καρδιά.
Για να αναπτύξουν τον αισθητήρα, οι ερευνητές αξιοποίησαν το μετάξι της αράχνης dragline από τη γιγάντια ξύλινη αράχνη nephila pilipes. Το μετάξι, το οποίο έχει διάμετρο μόλις 10 μικρά, εγκλωβίστηκε σε μια βιοσυμβατή φωτοσκληρυνόμενη ρητίνη προτού σκληρυνθεί για να δημιουργήσει μια λεία προστατευτική επιφάνεια. Ως αποτέλεσμα, κατασκευάστηκε μια δομή οπτικών ινών διαμέτρου 100 micron, με μετάξι αράχνης να χρησιμεύει ως πυρήνας και ρητίνη ως επένδυση. Στη συνέχεια, ενίσχυσαν τις ικανότητες αίσθησης της ίνας επικαλύπτοντάς τις με μια βιοσυμβατή νανοστοιβάδα χρυσού.
Αυτή η διαδικασία παρήγαγε μια δομή με δύο άκρα, σαν νήμα. Η ίνα προσαρτήθηκε σε μια πηγή φωτός και ένα φασματόμετρο στο ένα άκρο και το άλλο άκρο βυθίστηκε σε υγρό δείγμα για σκοπούς μέτρησης. Αυτό έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να προσδιορίσουν τον δείκτη διάθλασης του διαλύματος και να το χρησιμοποιήσουν για να εξακριβώσουν το είδος της ζάχαρης και τη συγκέντρωσή του.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Cheng-Yang Liu από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Yang-Ming Chiao Tung στην Ταϊβάν είπε: «Με περαιτέρω ανάπτυξη, θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες συσκευές ιατρικής παρακολούθησης στο σπίτι και συσκευές διάγνωσης και δοκιμών στο σημείο της φροντίδας».
Οι ερευνητές εξέτασαν την επαναληψιμότητα και τη σταθερότητα των αισθητήρων μετρώντας διαλύματα με άγνωστες συγκεντρώσεις φρουκτόζης, σακχαρόζης ή γλυκόζη σάκχαρα σε θερμοκρασία δωματίου. Προσδιόρισαν ποσοτικά την απόδοση του αισθητήρα συγκρίνοντας τα φάσματα έντασης φωτός που παράγονται από τον αισθητήρα με μετρήσεις του δείκτη διάθλασης που αποκτήθηκαν με ένα εμπορικό διαθλασίμετρο. Ο αισθητήρας ήταν σε θέση να αναγνωρίσει τον τύπο του σακχάρου στο διάλυμα και να παρέχει μια ανάγνωση της συγκέντρωσης.
Liu είπε, «Η ακρίβεια μέτρησης και η ευαισθησία αίσθησης που πετύχαμε υποδηλώνουν ότι ο αισθητήρας μπορεί να εκτιμήσει με ακρίβεια τη συγκέντρωση ενός άγνωστου διαλύματος ζάχαρης. Επιπλέον, η ευαισθησία αίσθησης για τον προτεινόμενο αισθητήρα μας καλύπτει πλήρως το εύρος των συγκεντρώσεων σακχάρου που βρίσκονται στο ανθρώπινο αίμα».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Hsuan-Pei E, Jelene Antonicole Ngan Kong et al. Βιοσυμβατός αισθητήρας ζάχαρης οπτικών ινών με βάση το μετάξι αράχνης με μεταλλικές διηλεκτρικές ίνες. Biomedical Optics Express, 2022; 13 (9): 4483 DOI: 10.1364/BOE.462573
