Модифицированная микроструктура стекловолокна может подсвечивать здоровье сосудов изнутри
Исследователи Сколтеха создали микроструктуру из модифицированного стекловолокна, которая, в принципе, может работать как крошечный фонарик для медицинских зондов, исследующих внутреннюю часть кровеносных сосудов и других трубчатых полостей тела.
Микрофонарь, описанный в журнале Annalen der Physik, состоит из отрезка полого оптического волокна — очень маленькой стеклянной трубки. На её внутреннюю поверхность нанесён полимерный слой и наночастицы, а концы запечатаны полимерными мембранами.
Если поверх мембран нанести зеркала, фонарь превратится в лазер, производящий направленный свет определённого цвета. Это можно использовать в фотодинамической терапии для уничтожения опухолей, сенсибилизированных специальными красителями.
Эндоскопические зонды из стекловолокна — многообещающий способ доступа к труднодоступным областям тела для медицинской визуализации или терапии. Оптическое волокно достаточно тонкое, чтобы поместиться даже внутри кровеносных сосудов. Но возникает вопрос оснащения конца зонда необходимыми инструментами.
Созданная в этом исследовании деталь может служить либо рассеянным источником света, либо — после дальнейших модификаций и улучшений — лазером. Перспектива иметь лазер с настраиваемой длиной волны на конце эндоскопического зонда интригует из-за возможностей для диагностики и лечения.
Ключевое нововведение исследования Сколтеха связано со снижением потерь при передаче света, которые характерны для подобных систем.
Светоизлучающая микроструктура основана на отрезке полого оптического волокна длиной в несколько сантиметров, с внутренним диаметром 0.25 миллиметра и внешним диаметром 0.5 миллиметра.
На внутреннюю сторону полого сердечника нанесён полимерный слой, а поверх него — слой так называемых квантовых точек (наночастиц, предоставленных Саратовским государственным университетом).
Само волокно изготовлено ООО «СПЭ» «Наноструктурированные стеклянные технологии», также базирующимся в Саратове. Чем больше слоёв полимера и квантовых точек задействовано, тем выше потери света, передаваемого по волокну.
«Мы обнаружили, что наночастицы в слоистом покрытии можно сплавить ближе друг к другу с помощью термической обработки, которая обезвоживает полимерные слои и снижает шероховатость нанокомпозитных покрытий, что, в свою очередь, приводит к уменьшению потерь при передаче света», — сказал главный исследователь проекта профессор Дмитрий Горин из Сколтеха.
«Примечательно, что необходимое нагревание достигается "бесплатно" при завершении структуры для использования в качестве оптического резонатора, поскольку это включает нанесение полимерных мембран на обоих концах, покрытых слоистыми зеркалами из диоксида титана/диоксида кремния, и этот последний этап предполагает достаточный нагрев».
Полученная система обещает создание оптически накачиваемых лазеров, работающих в довольно широком диапазоне длин волн от 0.3 до 6 микрометров.
Квантовые точки служат активной средой лазера, а остальная часть структуры обеспечивает резонатор. Луч света выходит из конца цилиндрической микроструктуры, а «цвет» света определяется характеристиками слоя квантовых точек при изготовлении.
Альтернативно, можно нагреть микроструктуру без нанесения зеркал. Хотя это аналогично решает проблему потерь при передаче, такая структура становится рассеянным источником света, а не лазерным резонатором. Это означает, что она будет освещать своё окружение во всех направлениях, и цвет света также можно настроить, изменяя слой квантовых точек.
В зависимости от потребностей случая, зонд, оснащённый предложенной светоизлучающей микроструктурой, может использоваться для осмотра поверхности, визуализации глубоких тканей, удаления патологической ткани с помощью фотодинамической терапии и т.д.