Biomedizinische Forschung und Behandlung

Forscher entwickeln faseroptische Sensoren, die sich im Körper auflösen.

| Redakteur: Julia Schmidt

Neue auflösbare Faser-Bragg-Gitter können als Sensoren im Körper verwendet werden und sind sicher, selbst wenn die Faser versehentlich im Inneren des Patienten bricht.
Neue auflösbare Faser-Bragg-Gitter können als Sensoren im Körper verwendet werden und sind sicher, selbst wenn die Faser versehentlich im Inneren des Patienten bricht. (Bild: Maria Konstantaki, Foundation of Research and Technology – Hellas)

Zum ersten Mal haben Forscher Sensorelemente, so genannte Faser-Bragg-Gitter, in optischen Fasern hergestellt, die sich vollständig im Körper auflösen. Die bioresorbierbaren Faser-Bragg-Gitter könnten zur Überwachung der Heilung von Knochenbrüchen und zur sichereren Erforschung empfindlicher Organe wie des Gehirns eingesetzt werden und ermöglichen so neue Typen von In-Body-Sensoren für biomedizinische Forschung und Behandlungen.

Ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) ist ein optisches Element, das in eine optische Faser eingeschrieben ist. Derartige Lichtwellenleiter werden unter anderem als Filter in der optischen Nachrichtentechnik und bei Sensoren eingesetzt. Häufige Anwendungsgebiete sind etwa die Echtzeit-Überwachung der strukturellen Gesundheit von Brücken oder die kontinuierliche Prüfung der Integrität von Flugzeugflügeln. Bislang besaßen sie allerdings keine Eigenschaften, die sie für den Einsatz im Körper prädestiniert hätten. Durch das Design der neuen Lichtwellenleiter, die sich ganz ähnlich wie sich selbstauflösenden Fäden verhalten, sind die Patienten sicher, auch wenn die Fasern versehentlich brechen, so die Forscher.

„Unsere Arbeit ebnet den Weg zu faseroptischen Sensoren, die sicher in den menschlichen Körper eingeführt werden können“, sagt Maria Konstantaki, Mitglied des Forschungsteams des Instituts für Elektronische Struktur und Laser (IESL) der Foundation of Research and Technology - Hellas (FORTH), Griechenland, das die neuen Gitter hergestellt hat. Da sie sich auflösen, müssen diese Sensoren nach dem Gebrauch nicht mehr entfernt werden und eröffnen neue Möglichkeiten für effiziente Behandlungen und Diagnosen im Körper.

Die FORTH-Forscher arbeiteten mit Wissenschaftlern des Politecnico di Torino und des Istituto Superiore Mario Boella in Italien, zusammen, die die speziellen verwendeten optischen Fasern entwickelten. In der Zeitschrift Optics Letters der Optical Society (OSA) zeigen die Forscher, dass sich Gitter, die in die bioresorbierbare Glasfaser eingeschrieben wurden, auch unter Bedingungen auflösen, die denen des menschlichen Körpers nachempfunden sind.

Diese neuen Faser-Bragg-Gitter könnten zum Beispiel als winzige Sonden verwendet werden, die das Herz und andere empfindliche Organe sicher erreichen und untersuchen können. Laser-basierte Techniken zur Entfernung von Tumoren könnten auch mit diesen optischen Fasergittern verbessert werden, die gleichzeitig den Laserstrahl abgeben und die genaue Echtzeit-Temperaturmessung liefern, die für die Überwachung des Ablaufs der Laserablation notwendig ist.

„Dies ist das erste Mal, dass ein weitverbreitetes und gut kalibriertes optisches Element wie ein Bragg-Gitter in eine bioresorbierbare optische Faser eingeschrieben wurde", sagt Konstantaki. Unser Ansatz könnte potenziell genutzt werden, um verschiedene Arten von miteinander verbundenen Strukturen in oder auf bioresorbierbaren optischen Fasern zu erzeugen, so dass eine breite Palette von sensorischen und biochemischen Analyseverfahren im Inneren des Körpers durchgeführt werden kann.

Herstellung von Glas, das sich auflöst

Um faseroptische Bragg-Gitter herzustellen, die sicher im Körper eingesetzt werden können, entwickelten die Forscher eine spezielle Glasart aus Phosphoroxid in Kombination mit Oxiden von Calcium, Magnesium, Natrium und Silizium. „Dieses Glas kombiniert exzellente optische Eigenschaften mit Biokompatibilität und Wasserlöslichkeit und bietet damit eine zuverlässige Plattform für die Herstellung von optischen Fasern, die sich in Wasser oder biologischen Flüssigkeiten auflösen“, sagt Daniel Milanese vom Politecnico di Torino. „Die Eigenschaften der Lichtwellenleiter können durch Veränderung der Glaszusammensetzung angepasst werden.“

Faser-Bragg-Gitter werden verwendet, um eine optische Faser in ein Sensorelement zu verwandeln, indem sie eine bestimmte Wellenlänge in die Richtung zurückreflektieren, aus der sie stammt.
Faser-Bragg-Gitter werden verwendet, um eine optische Faser in ein Sensorelement zu verwandeln, indem sie eine bestimmte Wellenlänge in die Richtung zurückreflektieren, aus der sie stammt. (Bild: Maria Konstantaki, Foundation of Research and Technology – Hellas)

Für ein optisches Faser-Bragg-Gitter wird einer optische Faser mit einem Laser ein Muster eingeschrieben, das bewirkt, dass die Faser eine bestimmte Wellenlänge zurück in die Richtung reflektiert, aus der sie kam. Eine besondere Art von Faser-Bragg-Gitter, das gekippt oder „tilted“ ist, lässt einen Teil des reflektierten Lichts aus dem Faserkern entweichen und in die umgebende Hülle eindringen. Solche Schräggitter werden häufig zur Abtastung eingesetzt, da Veränderungen an der zylindrischen Oberfläche der Faser das rückreflektierte Licht in einer Art und Weise verändern, die überwacht werden kann.

Die Forscher entwickelten sowohl gekippte als auch Standard-Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter, um besser zu verstehen, wie sich die für die Beschriftung verwendeten Parameter auf die Sensoreigenschaften des Gitters auswirkten. Sie fanden heraus, dass die Bestrahlung der bioresorbierbaren Faser mit ultraviolettem Laserlicht bei einer bestimmter räumlicher Intensitätsverteilung nach der Auflösung ein entsprechendes Oberflächenreliefmuster erzeugt.

„Diese Erkenntnis ebnet den Weg für neue Anwendungen solcher Materialien, insbesondere in Faserform", sagt Stavros Pissadakis, der die FORTH-Gruppe leitet. "Komplexe fluidische oder optische Strukturen könnten mit Hilfe von Lasern erzeugt werden, um ein Gerät mit einer Vielzahl maßgeschneiderter Funktionalitäten herzustellen.“

Nachdem die Forscher bestätigt hatten, dass die durch den Beschriftungsprozess erzeugten Muster als Faser-Bragg-Gitter funktionieren, tauchten sie Fasern mit und ohne Faser-Bragg-Gitter in eine Lösung ein, die 56 Stunden lang die pH- und Temperaturbedingungen des menschlichen Körpers simulierten. Sie fanden heraus, dass sich das mit Laserlicht beschriftete Glas schneller auflöste als unbelichtetes Glas.

Die Forscher führen jetzt systematische Experimente durch, um besser zu verstehen, wie sich die

Faserzusammensetzung und UV-Laser-Bestrahlung auf die Geschwindigkeit auswirken, mit der sich das Faser-Bragg-Gitter auflöst. Diese Informationen können verwendet werden, um Gitter herzustellen, die sich innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums auflösen. Vor dem Einsatz im Menschen müssen jedoch die Auflösungs- und Sensoreigenschaften der Faser-Bragg-Gitter noch bei Tieren untersucht werden.

Dieser Beitrag erschien zuerst in unserem Partnerportal Elektronikpraxis.

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