Jedwab pajęczy ma doskonałe właściwości, takie jak elastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, biodegradowalność i biokompatybilność. Ze względu na te właściwości różne elementy optyczne stosowane w zastosowaniach biomedycznych zostały wytworzone przy użyciu jedwabiu pajęczego.
W ramach tego badania naukowcy z Tajwańskiego Instytutu Badań nad Instrumentami i Uniwersytetu Medycznego w Tajpej opracowali bardzo czuły światłowód czujnik cukru wykorzystując właściwości przepuszczające światło jedwabiu pajęczego. Czujnik może wykrywać i mierzyć niewielkie zmiany współczynnika załamania światła roztworu biologicznego, w tym glukozy i innych rodzajów roztworów cukru.
Lider zespołu badawczego Cheng-Yang Liu z Narodowego Uniwersytetu Yang-Ming Chiao Tung na Tajwanie powiedział: „Czujniki glukozy mają kluczowe znaczenie dla osób chorych na cukrzycę, ale urządzenia te są zwykle inwazyjne, niewygodne i nieopłacalne. Z pająk jedwab przykuwając uwagę swoimi doskonałymi właściwościami optomechanicznymi, chcieliśmy zbadać możliwość wykorzystania tego biokompatybilnego materiału do optycznego wykrywania różnych stężeń cukru w czasie rzeczywistym”.
Czujnik jest praktyczny, nadaje się do wielokrotnego użytku, kompaktowy, biokompatybilny, ekonomiczny i bardzo czuły. Można go stosować do oznaczania stężeń cukrów fruktozy, sacharozy i glukozy na podstawie zmian współczynnika załamania światła roztworu. Ponieważ jest kompaktowy, może umożliwić dostęp do trudno dostępnych miejsc, takich jak mózg i serce.
Aby opracować czujnik, badacze wykorzystali pajęczy jedwab zgarniakowy olbrzymiego pająka leśnego nephila pilipes. Jedwab o średnicy zaledwie 10 mikronów został przed utwardzeniem pokryty biokompatybilną fotoutwardzalną żywicą w celu utworzenia gładkiej powierzchni ochronnej. W rezultacie powstała struktura światłowodu o średnicy 100 mikronów, której rdzeń stanowi jedwab pajęczy, a płaszczem jest żywica. Następnie poprawili możliwości wykrywania włókna, powlekając go biokompatybilną nanowarstwą złota.
Ta procedura pozwoliła uzyskać dwustronną, nitkowatą strukturę. Włókno przymocowano do źródła światła i spektrometru na jednym końcu, a drugi koniec zanurzono w płynnej próbce w celach pomiarowych. Umożliwiło to naukowcom określenie współczynnika załamania światła roztworu i wykorzystanie go do ustalenia rodzaju cukru i jego stężenia.
Lider zespołu badawczego Cheng-Yang Liu z Narodowego Uniwersytetu Yang-Ming Chiao Tung na Tajwanie powiedział: „Wraz z dalszym rozwojem może to doprowadzić do powstania lepszych domowych urządzeń do monitorowania medycznego oraz przyłóżkowych urządzeń do diagnostyki i testowania”.
Naukowcy przetestowali powtarzalność i stabilność czujników, mierząc roztwory o nieznanym stężeniu fruktozy, sacharozy lub glukoza cukry w temperaturze pokojowej. Określili ilościowo działanie czujnika, porównując widma natężenia światła wytwarzane przez czujnik z pomiarami współczynnika załamania światła uzyskanymi za pomocą komercyjnego refraktometru. Czujnik był w stanie zarówno zidentyfikować rodzaj cukru w roztworze, jak i zapewnić odczyt stężenia.
Liu powiedziany, „Osiągnięta przez nas precyzja pomiaru i czułość wykrywania sugerują, że czujnik może dokładnie oszacować stężenie nieznanego roztworu cukru. Co więcej, czułość proponowanego czujnika całkowicie obejmuje zakres stężeń cukru występujących w ludzkiej krwi.
Referencje czasopisma:
- Hsuan-Pei E, Jelene Antonicole Ngan Kong i in. Biokompatybilny, światłowodowy czujnik cukru na bazie jedwabiu pajęczego z metalową dielektryką. Ekspresowa optyka biomedyczna, 2022; 13 (9): 4483 DOI: 10.1364/BOE.462573
