Gélose

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13517 (2023) Citer cet article

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Les guides d'ondes optiques biodégradables sont des technologies révolutionnaires en matière de transmission et de détection de la lumière dans les applications biomédicales et environnementales. L'agar apparaît comme une alternative comestible, molle, peu coûteuse et renouvelable aux biopolymères traditionnels, présentant des caractéristiques optiques et mécaniques remarquables. Des travaux antérieurs ont introduit des fibres optiques fabriquées en gélose pour des mesures chimiques basées sur leur réponse inhérente à l'humidité et à la concentration environnante. C’est pourquoi nous proposons, pour la première fois, un capteur de courant électrique entièrement optique et biodégradable. Alors que les charges en circulation chauffent la matrice de gélose et modulent son indice de réfraction, nous connectons le dispositif optique à une source de tension continue à l’aide d’embases à broches et excitons l’échantillon de gélose avec une lumière cohérente pour projeter des champs de taches déviant spatio-temporellement. Les expériences se sont déroulées avec des sphères et des fibres sans noyau comprenant 2 % en poids d'agar/eau. Une fois que le courant croissant stimule le mouvement des taches, nous acquérons ces images avec une caméra et évaluons leurs coefficients de corrélation, produisant des fonctions de type décroissance exponentielle dont les constantes de temps fournissent l'ampérage d'entrée. De plus, les granules lumineux suivent la polarisation de la chute de tension appliquée, fournissant ainsi des informations visuelles sur la direction du courant. Les résultats indiquent une résolution maximale de \(\sim \)0,4 \(\upmu \)A pour des stimuli électriques \(\le \) 100 \(\upmu \)A, qui répond aux exigences d'évaluation des signaux bioélectriques.

Les dispositifs optiques fabriqués avec des matériaux dégradables apparaissent comme des candidats prometteurs pour répondre à la demande croissante de technologies biocompatibles et vertes. Les guides d'ondes implantables permettent une évaluation et un actionnement basés sur la lumière dans les soins de santé, l'imagerie, l'administration de médicaments et l'optogénétique1,2,3,4,5, garantissant une absorption progressive par l'organisme après son utilisation. De nos jours, des guides d'ondes constitués de fibroïne de soie6 et de biopolymères comme la cellulose7, l'alginate8, le citrate9, la polycaprolactone10 et l'acide poly(d,l-lactique)11 sont disponibles pour remplacer les fibres optiques typiques en verre et en plastique en atteignant des pertes de transmission tolérables. Cependant, la plupart de ces approches dépendent de précurseurs relativement coûteux et de voies de fabrication élaborées.

Dans ce contexte, la gélose obtenue à partir d’algues rouges se présente comme une alternative comestible et renouvelable pour concevoir des composants optiques et des guides d’ondes. La gélose contient dans sa composition les polysaccharides agarose et agropectine, les premiers instituant son pouvoir gélifiant. Ce matériau présente des caractéristiques singulières telles que la moulabilité, la flexibilité, la stabilité chimique, la gélification à basse température et la thermoréversibilité12,13,14. Par ailleurs, les propriétés mécaniques et optiques des échantillons globaux (rigidité, indice de réfraction, transparence, etc.) sont personnalisables en choisissant la composition chimique de la solution de gélose. Les applications emblématiques de ce matériau semblable à un gel comprennent les tissus artificiels, les bioplastiques et les milieux de croissance des micro-organismes13,14.

Malgré ses utilisations traditionnelles dans l’industrie alimentaire et l’analyse biochimique, peu de littérature traite des dispositifs optiques à base d’agar. Par exemple, Oku et al. développé des lentilles comestibles et des rétroréflecteurs pour créer des configurations de réalité virtuelle dans les aliments15,16. Manocchi et coll. créé un guide d'ondes plan comprenant des couches d'agar et de gélatine, prévoyant une utilisation ultérieure comme moniteur biochimique implantable17. Jain et coll. introduit un guide d'onde rectangulaire intégré dans un système microfluidique à des fins d'immobilisation cellulaire et d'imagerie, atteignant des pertes optiques de \(\le 13\) dB/cm18. Enfin, notre groupe a démontré une fibre optique structurée en gélose comprenant un noyau solide entouré de trous d'air. Les expériences ont évalué les pertes optiques (3,3 dB/cm) et étudié les applications possibles en détection chimique19.

La gélose est intrinsèquement sensible à la concentration, à la température, à l'humidité et au pH du milieu environnant, ce qui la rend éligible pour la détection de divers paramètres physiques et biochimiques. Outre les configurations habituelles comprenant des fibres optiques en verre recouvertes de films d'hydrogel20,21,22, un guide d'ondes en gélose peut absorber ou expulser des gouttelettes d'eau en raison des mécanismes de gonflement et de synérèse23, ​​respectivement, produisant des changements géométriques qui perturbent la lumière transmise19. De plus, on peut ajuster l'indice de réfraction de l'échantillon global en ajoutant du sucre ou du glycérol à la solution de gélose, améliorant ainsi sa sensibilité aux liquides circulant à l'extérieur de la fibre ou à l'intérieur de la structure trouée19.