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Scientific Reports volume 13、記事番号: 9750 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

シルクフィブロインは、ウェアラブルシステムのフォトニックデバイスにとって重要な生体材料です。 このようなデバイスの機能は本質的に、光弾性を介して相互に結合する弾性変形による刺激によって影響を受けます。 ここでは、波長 1550 nm の光のささやきギャラリー モード共鳴を利用して、シルク フィブロインの光弾性を調べます。 作製された非晶質 (Silk I) および熱アニールされた半結晶構造 (Silk II) のシルクフィブロイン薄膜キャビティは、約 1.6 × 104 の典型的な Q ファクターを示します。光弾性実験は、ウィスパリングの TE および TM シフトを追跡して実行されます。軸方向のひずみが加わるとギャラリーモード共振が発生します。 シルク I フィブロインのひずみ光学係数 K' は 0.059 ± 0.004 であることがわかり、シルク II の対応する値は 0.129 ± 0.004 です。 注目すべきことに、ブリルアン光分光法で測定した弾性ヤング率は、シルク II 相ではわずか約 4% 高いだけです。 ただし、Silk II 構造を支配するβシートの開始により、光弾性特性に関して 2 つの構造間の違いが顕著になります。

光学生体材料は、その機械的特性、セグメンテーション特性、および表面化学特性に関連する多数の物理的および化学的機能を提供します。 前者の機能は、そのような材料の革新的で機能的なセンシング、イメージング、および駆動フォトニックデバイスへの実装を加速することができます1、2、3、4。 いくつかのタンパク質ベースの生体材料の重要な特徴は、準安定から安定への構造遷移が材料の光学特性を変化させることです5,6。 カイコの森で抽出されたシルクは、衣類や手術への応用で知られる天然生体材料です。 同時に、再生された形のフィブロインタンパク質は、光回路、薬物送達、およびセンシングコンポーネントでの使用について広く研究されています7。 シルクフィブロインは、その生体適合性、機械的強度、高い光透過性、および調整された湿潤性により、ウェアラブルおよび埋め込み可能なセンシングデバイスを開発するためのバックボーンと考えられており8、9、容易にアクセスできる光電子機能を備えた皮膚に取り付け可能なコンポーネントの実現を可能にします10。 シルクベースの皮膚に貼り付けられるウェアラブル光デバイス 12 の実現において生じる重要な問題は、光弾性、つまり、シルクフィブロインの屈折率と複屈折が機械的刺激下でどの程度変化するかということです。 たとえば、人間の皮膚組織に接着接触している光学デバイスの動作特性は、界面領域に直接加わる機械的な力に依存する可能性があります。 シルクの光弾性に関しては、限られた文献で主に元のカイコフィラメントのひずみ誘起複屈折について言及されています 13,14 が、我々の知る限り、再生シルクフィブロインに関する報告はありません。 光弾性は、局所構造を巨視的応答に反映する材料の機械的および光学的特性を相関させます。 ランダムコイル、βシート、αヘリックスなどのタンパク質構造が集合している再生絹フィブロインの特異的な局所構造は、光弾性研究を特に重要にします。

ここでは、ガラス繊維支持ビーム上にキャストされた円筒共振器におけるささやきギャラリーモード（WGM）光共鳴を利用して、シルクフィブロインの光弾性特性について報告します。 高い Q 値のおかげで、WGM 共振によって促進される偏光に敏感な光閉じ込めのモード分散 15 により、応力光学係数を生み出す最小限の複屈折変化の検出が可能になり、軟質材料の分子分極率との相関関係が可能になります 16。 マイクロメートルサイズのシルクフィブロインの円筒状空洞は、最初にシルクI（準安定）で形成され、次にシルクII（安定）に変換され、シルクフィブロインの光弾性挙動に対する構造の影響をその場で研究することができます。 Silk II での β シートの形成は、シルク フィブロインの光学的および機械的特性を同時に変更し、その光弾性を支配します。 絹フィブロインは、平面基板上に円筒形の WGM キャビティを作製する際に以前にも使用されてきました 17 が、タンパク質ベースの生体材料の光弾性の研究における WGM 共鳴の応用は、絹フィブロインの場合に明示的に実装された新しいアプローチです。 。 シルクフィブロインの非晶質構造と半結晶構造の間の光弾性の違いの原因を詳細に洞察するために、両相の弾性ヤング率とポアソン比が非接触、非侵襲のブリルアン光分光法によってゼロひずみで測定されます。 (BLS)。 BLS により、2 つのシルク構造の機械的特性を光の屈折率/偏光率の特性から切り離すことができます 18。 予想外に非常に類似したヤング率を考慮すると、シルクフィブロインの光弾性は主に、半結晶性シルク II で過剰に形成されたβシート構造の光学特性によって駆動され、シルク I は複屈折が低いため、複屈折が低くなります。 βシート含有量が低く、水の可塑化が少ない。