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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9750 (2023) Citar este artigo

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A fibroína da seda é um importante biomaterial para dispositivos fotônicos em sistemas vestíveis. A funcionalidade de tais dispositivos é inerentemente influenciada pela estimulação de deformações elásticas, que são mutuamente acopladas através da fotoelasticidade. Aqui, investigamos a foto-elasticidade da fibroína da seda empregando a ressonância da luz no modo de galeria de sussurro óptico no comprimento de onda de 1550 nm. As cavidades de filme fino de fibroína de seda com estrutura amorfa (Silk I) e termicamente recozida termicamente (Silk II) exibem fatores Q típicos de cerca de 1,6 × 104. Experimentos fotoelásticos são realizados traçando os deslocamentos TE e TM do sussurro. ressonâncias do modo galeria mediante aplicação de uma deformação axial. O coeficiente óptico de deformação K' para a fibroína Silk I é de 0,059 ± 0,004, sendo o valor correspondente para Silk II 0,129 ± 0,004. Notavelmente, o módulo de Young elástico, medido por espectroscopia de luz Brillouin, é apenas cerca de 4% maior na fase Silk II. No entanto, as diferenças entre as duas estruturas são pronunciadas em relação às propriedades fotoelásticas devido ao aparecimento de folhas β que dominam a estrutura Silk II.

Os biomateriais ópticos oferecem inúmeras funcionalidades físicas e químicas associadas às suas propriedades mecânicas, de segmentação e química de superfície. As primeiras funções podem acelerar a implementação de tais materiais em dispositivos fotônicos inovadores e funcionais de detecção, imagem e atuação . Uma característica importante de vários biomateriais à base de proteínas é a transição da estrutura metaestável-estável, modificando as características ópticas do material. A seda extraída Bombyx Mori é um biomaterial natural conhecido por suas aplicações em roupas e cirurgia. Ao mesmo tempo, sua proteína fibroína, na forma regenerada, tem sido amplamente estudada para sua utilização em circuitos ópticos, distribuição de medicamentos e componentes de detecção7. Devido à sua biocompatibilidade, resistência mecânica, alta transmissão óptica e molhabilidade personalizada, a fibroína da seda é considerada a espinha dorsal para o desenvolvimento de dispositivos sensores vestíveis e implantáveis8,9, permitindo a realização de componentes anexáveis ​​à pele com funções optoeletrônicas prontamente acessíveis10. Uma questão significativa que surge para a realização de dispositivos fotônicos vestíveis à base de seda11 e vestíveis12 é a da fotoelasticidade, ou seja, o quanto a refratividade e a birrefringência da fibroína da seda mudarão sob estimulação mecânica. Por exemplo, as características de operação de dispositivos ópticos em contato adesivo com tecido da pele humana podem depender das forças mecânicas exercidas diretamente na região de interface. Sobre a fotoelasticidade da seda, a literatura limitada refere-se principalmente à birrefringência induzida por tensão em filamentos de bicho-da-seda imaculados , enquanto, até onde sabemos, não há relato sobre fibroína de seda regenerada. A fotoelasticidade correlaciona propriedades mecânicas e ópticas de um material refletindo a estrutura local na resposta macroscópica. A estrutura local específica da fibroína de seda regenerada, onde estruturas proteicas como espirais aleatórias, folhas β e conglomerados de hélices α, tornam um estudo de fotoelasticidade particularmente importante.

Aqui, relatamos as propriedades fotoelásticas da fibroína de seda, empregando ressonância de luz no modo galeria sussurrante (WGM) em ressonadores cilíndricos fundidos em vigas de suporte de fibra de vidro. Devido ao alto fator Q, a dispersão modal do confinamento de luz, sensível à polarização, facilitada pela ressonância WGM permite a detecção de alterações mínimas de birrefringência, produzindo o coeficiente óptico de tensão e permitindo uma correlação com a polarizabilidade molecular de materiais macios. Cavidades cilíndricas de fibroína de seda de tamanho micrométrico são formadas primeiro em Silk I (metaestável) e depois transformadas em Silk II (estável), permitindo uma investigação in situ do efeito da estrutura no comportamento fotoelástico da fibroína de seda. A formação de folhas β no Silk II modifica simultaneamente as propriedades ópticas e mecânicas da fibroína da seda, dominando sua fotoelasticidade. Embora a fibroína da seda tenha sido usada antes na fabricação de cavidades cilíndricas de WGM em substratos planares, a aplicação da ressonância WGM no estudo da fotoelasticidade de um biomaterial à base de proteínas é uma nova abordagem, implementada explicitamente para o caso da fibroína de seda . Para uma visão detalhada da origem das diferenças fotoelásticas entre as estruturas amorfas e semicristalinas da fibroína da seda, os módulos de Young elásticos e a razão de Poisson de ambas as fases são medidos em tensão zero pela espectroscopia de luz Brillouin não invasiva e sem contato (BLS). O BLS permite o desacoplamento das propriedades mecânicas das duas estruturas de seda de suas propriedades de refração/polarizabilidade óptica . Tendo em vista os módulos de Young inesperadamente muito semelhantes, a fotoelasticidade da fibroína da seda é impulsionada principalmente pelas propriedades ópticas das conformações da folha β formadas em excesso no Silk II semicristalino, com o Silk I sendo menos birrefringente devido a baixo teor de folhas β e plastificação de água.