Волоконная брэгговская решетка — это оптический элемент, вписанный в оптическое волокно, которое широко используется в качестве измерительного прибора. Хотя волоконно-оптические решетки Брэгга обычно используются для таких приложений, как мониторинг состояния конструкции мостов в реальном времени или отслеживание целостности крыльев самолетов, до сих пор они не демонстрировали характеристик, предпочтительных для использования в корпусе. По словам исследователей, благодаря конструкции, которая позволяет им разрушаться так же, как растворимые швы, новые стекловолокна должны быть безопасными для пациентов, даже если они случайно сломаются.
«Наша работа прокладывает путь к оптоволоконным датчикам, которые можно безопасно вставлять в человеческое тело», — сказала Мария Константаки, член исследовательской группы из Института электронной структуры и лазеров (IESL) Фонда исследований и технологий. — Hellas (FORTH), Греция, которая изготовила и охарактеризовала новые решетки. "Поскольку они растворяются, эти датчики не нужно снимать после использования, и они позволят использовать новые способы эффективного лечения и диагностики в организме."
Исследователи FORTH сотрудничали с учеными из Туринского политехнического университета и Istituto Superiore Mario Boella, Италия, которые разработали, изготовили и охарактеризовали специальное оптическое волокно, используемое для работы. В журнале Optics Letters оптического общества (OSA) исследователи показывают, что решетки, протравленные в биорезорбируемое стекловолокно, растворяются в условиях, имитирующих условия человеческого тела.
Новые биорезорбируемые оптоволоконные брэгговские решетки могут использоваться для измерения давления в суставах или действовать как крошечные зонды, которые могут безопасно добраться до сердца и других чувствительных органов и оценить их.
Лазерные методы удаления опухолей также могут быть улучшены с помощью этих оптоволоконных решеток, которые могут одновременно доставлять лазерный луч и обеспечивать точное измерение температуры в реальном времени, необходимое для контроля процесса лазерной абляции.
«Это первый случай, когда широко используемый и хорошо откалиброванный оптический элемент, такой как решетка Брэгга, был вытравлен в биорезорбируемое оптическое волокно», — сказал Константаки. «Наш подход потенциально может быть использован для создания различных типов взаимосвязанных структур в биорезорбируемых оптических волокнах или на них, что позволит выполнять широкий спектр методов зондирования и биохимического анализа внутри тела."
Изготовление растворяющегося стекла
Чтобы создать оптоволоконные брэгговские решетки, которые можно было бы безопасно использовать в организме, исследователи разработали специальный тип стекла, состоящий из оксида фосфора в сочетании с оксидами кальция, магния, натрия и кремния. «Это стекло сочетает в себе превосходные оптические свойства с биосовместимостью и растворимостью в воде, обеспечивая тем самым надежную платформу для создания оптических волокон, растворяющихся в воде или биологических жидкостях», — сказал Даниэль Миланезе из Политехнического университета Турина. «Свойства оптических волокон можно настроить, правильно изменив состав стекла."
Брэгговские решетки из оптического волокна создаются с помощью лазера для нанесения на оптическое волокно рисунка, который заставляет волокно отражать определенную длину волны обратно в том направлении, откуда оно пришло. Тип решетки, известной как решетка Брэгга с наклонным оптическим волокном, позволяет части отраженного света выходить из сердцевины волокна и попадать в окружающую оболочку. Наклонные решетки часто используются для зондирования, поскольку изменения на цилиндрической поверхности волокна изменяют отраженный назад свет таким образом, чтобы его можно было отслеживать.
Исследователи создали как наклонные, так и стандартные оптоволоконные брэгговские решетки, чтобы лучше понять, как параметры, используемые для надписи, влияют на характеристики чувствительности решетки.
Они обнаружили, что воздействие на биорезорбируемое волокно ультрафиолетовым лазерным светом с заданным пространственным распределением интенсивности, которое описывает, как распределяется мощность лазерного луча, создает соответствующий рельефный узор поверхности в объеме оптического волокна после растворения.
«Это открытие открывает путь к новым применениям этих типов материалов, особенно в форме волокон», — сказал Ставрос Писсадакис, возглавляющий группу FORTH. "Сложные жидкие или оптические структуры могут быть созданы с использованием лазеров для создания устройства с множеством индивидуальных функций."
Убедившись, что узоры, созданные в процессе надписи, работают как волоконная брэгговская решетка, исследователи погрузили волокна с волоконными решетками Брэгга и без них в раствор, имитирующий pH и температурные условия человеческого тела, на 56 часов.
Они обнаружили, что стекло, протравленное лазерным светом, растворяется быстрее, чем неэкспонированное стекло.
В настоящее время исследователи проводят систематические эксперименты, чтобы лучше понять, как состав волокна и условия ультрафиолетового лазерного излучения влияют на скорость растворения волоконной брэгговской решетки.
Эта информация может быть использована для создания волоконных решеток Брэгга, которые растворяются в течение определенного периода времени. Перед использованием на людях необходимо изучить растворяющие и чувствительные свойства волоконных решеток Брэгга на животных.