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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9750 (2023) Citare questo articolo

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La fibroina della seta è un importante biomateriale per i dispositivi fotonici nei sistemi indossabili. La funzionalità di tali dispositivi è intrinsecamente influenzata dalla stimolazione delle deformazioni elastiche, che sono reciprocamente accoppiate attraverso la fotoelasticità. Qui, indaghiamo la fotoelasticità della fibroina di seta utilizzando la risonanza della luce in modalità galleria sussurrante ottica alla lunghezza d'onda di 1550 nm. Le cavità del film sottile in fibroina di seta amorfa (Seta I) e ricotta termicamente con struttura semicristallina (Seta II) mostrano fattori Q tipici di circa 1,6 × 104. Vengono eseguiti esperimenti fotoelastici tracciando gli spostamenti TE e TM del sussurro risonanze in modalità galleria in seguito all'applicazione di una deformazione assiale. Il coefficiente ottico di deformazione K' per la fibroina Silk I risulta essere 0,059 ± 0,004, con il valore corrispondente per Silk II pari a 0,129 ± 0,004. Sorprendentemente, il modulo elastico di Young, misurato mediante spettroscopia di luce Brillouin, è solo circa il 4% più alto nella fase Silk II. Tuttavia, le differenze tra le due strutture sono pronunciate per quanto riguarda le proprietà fotoelastiche a causa della comparsa di fogli β che domina la struttura Silk II.

I biomateriali ottici offrono numerose funzionalità fisiche e chimiche associate alle loro proprietà meccaniche, di segmentazione e chimiche di superficie. Le prime funzioni possono accelerare l'implementazione di tali materiali in dispositivi fotonici innovativi e funzionali di rilevamento, imaging e attuazione1,2,3,4. Una caratteristica importante di diversi biomateriali a base proteica è la transizione della struttura metastabile-stabile che modifica le caratteristiche ottiche5,6 del materiale. La seta estratta da Bombyx Mori è un biomateriale naturale rinomato per le sue applicazioni nell'abbigliamento e nella chirurgia. Allo stesso tempo, la sua proteina fibroina, nella forma rigenerata, è stata ampiamente studiata per il suo utilizzo nei circuiti ottici, nella somministrazione di farmaci e nei componenti di rilevamento7. Grazie alla sua biocompatibilità, resistenza meccanica, elevata trasmissione ottica e bagnabilità su misura, la fibroina della seta è considerata una spina dorsale per lo sviluppo di dispositivi di rilevamento indossabili e impiantabili8,9, consentendo la realizzazione di componenti attaccabili alla pelle con funzioni optoelettroniche facilmente accessibili10. Un problema significativo che si presenta per la realizzazione di dispositivi fotonici indossabili12 basati sulla seta, attaccati alla pelle12 è quello della fotoelasticità, vale a dire quanto cambieranno la rifrazione e la birifrangenza della fibroina della seta sotto stimolazione meccanica. Ad esempio, le caratteristiche di funzionamento dei dispositivi ottici a contatto adesivo con il tessuto cutaneo umano possono dipendere dalle forze meccaniche esercitate direttamente nella regione di interfaccia. Sulla fotoelasticità della seta, la letteratura limitata si riferisce principalmente alla birifrangenza indotta dalla deformazione nei filamenti incontaminati del baco da seta13,14, mentre, per quanto ne sappiamo, non esiste alcun rapporto sulla fibroina della seta rigenerata. La fotoelasticità correla le proprietà meccaniche e ottiche di un materiale che riflette la struttura locale sulla risposta macroscopica. La specifica struttura locale della fibroina di seta rigenerata, dove strutture proteiche come bobine casuali, foglietti β e conglomerati di α-eliche, rendono uno studio di fotoelasticità particolarmente importante.

Qui, riportiamo le proprietà fotoelastiche della fibroina di seta, impiegando la risonanza della luce in modalità Galleria sussurrante (WGM) in risonatori cilindrici lanciati su travi di supporto in fibra di vetro. Grazie all'elevato fattore Q, la dispersione modale sensibile alla polarizzazione del confinamento della luce facilitata dalla risonanza WGM15 consente il rilevamento di cambiamenti minimi di birifrangenza producendo il coefficiente di stress ottico e consentendo una correlazione con la polarizzabilità molecolare dei materiali morbidi16. Le cavità cilindriche della fibroina di seta di dimensioni micrometriche vengono prima formate in Silk I (metastabile) e poi trasformate in Silk II (stabile), consentendo un'indagine in situ dell'effetto della struttura sul comportamento fotoelastico della fibroina di seta. La formazione di fogli β in Silk II modifica contemporaneamente le proprietà ottiche e meccaniche della fibroina di seta, dominandone la fotoelasticità. Mentre la fibroina della seta è stata utilizzata in precedenza nella fabbricazione di cavità WGM cilindriche su substrati planari17, l'applicazione della risonanza WGM nello studio della fotoelasticità di un biomateriale a base proteica è un approccio nuovo, implementato esplicitamente per il caso della fibroina della seta . Per una visione dettagliata dell'origine delle differenze fotoelastiche tra le strutture amorfe e semicristalline della fibroina della seta, i moduli elastici di Young e il rapporto di Poisson di entrambe le fasi vengono misurati a deformazione zero mediante la spettroscopia luminosa Brillouin senza contatto e non invasiva (BLS). Il BLS consente il disaccoppiamento delle proprietà meccaniche delle due strutture di seta dalle loro proprietà di rifrattività/polarizzabilità ottica18. In considerazione dei moduli di Young inaspettatamente molto simili, la fotoelasticità della fibroina di seta è principalmente guidata dalle proprietà ottiche delle conformazioni del foglio β formato in eccesso nella Seta II semicristallina, con la Seta I meno birifrangente a causa della basso contenuto di fogli β e plastificazione con acqua.