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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9750(2023) 이 기사 인용

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실크 피브로인은 웨어러블 시스템의 광자 장치에 중요한 생체 재료입니다. 이러한 장치의 기능은 본질적으로 광탄성을 통해 상호 결합되는 탄성 변형의 자극에 의해 영향을 받습니다. 여기에서는 1550nm 파장의 빛의 광학 속삭임 갤러리 모드 공진을 사용하여 실크 피브로인의 광탄성을 조사합니다. 제작된 비정질(실크 I) 및 열적으로 어닐링된 반결정 구조(실크 II) 실크 피브로인 박막 공동은 약 1.6 x 104의 일반적인 Q 인자를 표시합니다. 광탄성 실험은 속삭임의 TE 및 TM 이동을 추적하여 수행됩니다. 갤러리 모드는 축 변형 적용 시 공진합니다. 실크 I 피브로인의 변형 광학 계수 K'는 0.059 ± 0.004로 확인되었으며, 실크 II의 해당 값은 0.129 ± 0.004입니다. 놀랍게도, Brillouin 광 분광법으로 측정한 탄성 영률은 Silk II 단계에서 약 4%만 더 높습니다. 그러나 Silk II 구조를 지배하는 β 시트의 시작으로 인해 광탄성 특성과 관련하여 두 구조 간의 차이가 뚜렷합니다.

광학 생체재료는 기계적, 분할 및 표면 화학적 특성과 관련된 수많은 물리적, 화학적 기능을 제공합니다. 이전 기능은 혁신적이고 기능적인 감지, 이미징 및 작동 광자 장치로 이러한 재료의 구현을 가속화할 수 있습니다. 여러 단백질 기반 생체 재료의 중요한 특징은 재료의 광학 특성을 수정하는 준안정-안정 구조 전이입니다. Bombyx Mori에서 추출한 실크는 의류 및 수술 분야에 응용되는 것으로 유명한 천연 생체 재료입니다. 동시에 재생된 형태의 피브로인 단백질은 광학 회로, 약물 전달 및 감지 구성 요소에 사용하기 위해 널리 연구되었습니다7. 생체 적합성, 기계적 강도, 높은 광 투과성 및 맞춤형 습윤성으로 인해 실크 피브로인은 웨어러블 및 이식형 감지 장치 개발을 위한 백본으로 간주되어8,9 쉽게 접근할 수 있는 광전자 기능10을 갖춘 피부 부착 가능 구성 요소를 실현할 수 있습니다. 실크 기반 피부 부착 웨어러블 광소자 실현을 위해 발생하는 중요한 문제는 광탄성, 즉 기계적 자극에 따라 실크 피브로인의 굴절률과 복굴절이 얼마나 변하는가입니다. 예를 들어, 인간의 피부 조직과 접착 접촉하는 광학 장치의 작동 특성은 인터페이스 영역에 직접 가해지는 기계적 힘에 따라 달라질 수 있습니다. 실크의 광탄성에 관해 제한된 문헌은 주로 깨끗한 누에 필라멘트의 변형 유발 복굴절을 언급하는 반면, 우리가 아는 한 재생 실크 피브로인에 대한 보고는 없습니다. 광탄성은 국소 구조를 반영하는 재료의 기계적 및 광학적 특성을 거시적 반응과 연관시킵니다. 무작위 코일, β-시트 및 α-나선 복합체와 같은 단백질 구조가 집합된 재생 실크 피브로인의 특정 국부 구조는 광탄성 연구를 특히 중요하게 만듭니다.

여기에서는 유리 섬유 지지 빔에 캐스팅된 원통형 공진기의 속삭이는 갤러리 모드(WGM) 광 공진을 사용하여 실크 피브로인의 광탄성 특성에 대해 보고합니다. 높은 Q 인자로 인해 WGM 공진을 통해 촉진된 편광에 민감한 광 제한의 모달 분산은 최소 복굴절 변화를 감지하여 응력 광학 계수를 생성하고 연질 재료의 분자 편광성과의 상관 관계를 가능하게 합니다. 마이크로미터 크기의 실크 피브로인 원통형 공동은 먼저 실크 I(준안정)에서 형성된 다음 실크 II(안정)로 변환되어 실크 피브로인의 광탄성 거동에 대한 구조의 영향을 현장에서 조사할 수 있습니다. 실크 II의 β 시트 형성은 실크 피브로인의 광학적, 기계적 특성을 동시에 수정하여 광탄성을 지배합니다. 실크 피브로인은 이전에 평면 기판에 원통형 WGM 공동을 제작하는 데 사용되었지만 단백질 기반 생체 재료의 광탄성 연구에 WGM 공명을 적용하는 것은 실크 피브로인의 경우 명시적으로 구현된 새로운 접근 방식입니다. . 실크 피브로인의 비결정 구조와 반결정 구조 사이의 광탄성 차이의 기원에 대한 자세한 통찰력을 얻기 위해 두 상의 탄성 영률과 포아송 비는 비접촉, 비침습적 브릴루앙 광 분광법을 통해 제로 변형률에서 측정됩니다. (BLS). BLS는 광학 굴절률/분극성 특성에서 두 실크 구조의 기계적 특성을 분리할 수 있게 해줍니다. 예상외로 매우 유사한 영률을 고려할 때, 실크 피브로인의 광탄성은 주로 반결정질 실크 II에서 과도하게 형성된 β-시트 형태의 광학적 특성에 의해 좌우되며, 실크 I은 다음으로 인해 덜 복굴절됩니다. 낮은 β-시트 함량 및 물 가소화.