Имплантируемые шёлковые метаматериалы могут продвинуть биомедицину и биосенсорику
Исследователи из Школы инженерии Университета Тафтса и Бостонского университета создали и охарактеризовали первые крупноформатные структуры метаматериалов, нанесённые на имплантируемые, биосовместимые шёлковые подложки.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, открывает путь к разработке нового класса имплантируемых биосенсоров и биодетекторов, вдохновлённых метаматериалами.
Метаматериалы — это искусственные электромагнитные композиты, обычно изготавливаемые из высокопроводящих металлов, структура которых реагирует на электромагнитные волны так, как не реагируют атомы в природных материалах.
«Настоящая сила метаматериалов — возможность создания материалов с заданным электромагнитным откликом на строго контролируемой целевой частоте. Это открывает путь к новому электромагнитному поведению, такому как отрицательный показатель преломления, идеальная фокусировка, идеальные поглотители и плащи-невидимки», — объясняет профессор биомедицинской инженерии Университета Тафтса Фиоренцо Оменетто, руководивший исследованием.
Команда сосредоточилась на шёлковых композитах метаматериалов, резонирующих на терагерцовой частоте. Именно на этой частоте многие химические и биологические агенты проявляют уникальные «отпечатки пальцев», что потенциально можно использовать для биосенсинга.
Множество маленьких антенн действуют как одна
Исследователи нанесли структуры метаматериала на основе золота непосредственно на готовые шёлковые плёнки с помощью микропроизводственных трафаретов, используя технику напыления через теневую маску. Полученный композит оказался настолько гибким, что его можно было сворачивать в небольшие капсулоподобные цилиндры.
Шёлковые плёнки высокопрозрачны на терагерцовых частотах, поэтому композиты метаматериала с шёлком демонстрируют сильный резонансный электромагнитный отклик. Каждый изготовленный образец размером 1 см² содержал 10 000 метаматериальных резонаторов с уникальным резонансным откликом на заданных частотах.
По словам Фиоренцо Оменетто, концепция похожа на «очень своеобразный вид антенны — на самом деле, множество маленьких антенн, которые ведут себя как одна. Шёлковый метаматериальный композит чувствителен к диэлектрическим свойствам шёлковой подложки и может отслеживать взаимодействие между шёлком и локальной средой».
Добавление чистой биологической подложки, такой как шёлк, к золотому метаматериалу открывает огромные возможности для непредвиденных применений, говорит профессор Ричард Аверитт, эксперт по метаматериалам из Бостонского университета.
Резонансный отклик можно использовать как имплантируемую электромагнитную метку для контрастных агентов или био-трекинга, говорит соавтор Ху Тао, бывший аспирант Бостонского университета, а ныне постдок в лаборатории Оменетто.
Биосенсинг in situ
Чтобы продемонстрировать концепцию, исследователи провели серию экспериментов in vitro, изучив электромагнитный отклик шёлковых метаматериалов при имплантации под тонкие срезы мышечной ткани. Они обнаружили, что метаматериалы сохраняли свои новые резонансные свойства даже будучи имплантированными.
«Наш подход открывает большие перспективы для таких применений, как биосенсинг in situ с имплантированными медицинскими устройствами и передача медицинской информации изнутри человеческого тела», — говорит Оменетто.