Photo

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9750 (2023) Citer cet article

579 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

La fibroïne de soie est un biomatériau important pour les dispositifs photoniques des systèmes portables. La fonctionnalité de tels dispositifs est intrinsèquement influencée par la stimulation des déformations élastiques, qui sont mutuellement couplées par photo-élasticité. Ici, nous étudions la photoélasticité de la fibroïne de soie en utilisant la résonance optique en mode galerie chuchotée de la lumière à la longueur d’onde de 1 550 nm. Les cavités fabriquées en film mince de fibroïne de soie amorphe (Silk I) et à structure semi-cristalline thermiquement recuite (Silk II) affichent des facteurs Q typiques d'environ 1,6 × 104. Des expériences photoélastiques sont réalisées en traçant les déplacements TE et TM du chuchotement. résonances en mode galerie lors de l’application d’une déformation axiale. Le coefficient optique de déformation K' pour la fibroïne Silk I est de 0,059 ± 0,004, la valeur correspondante pour Silk II étant de 0,129 ± 0,004. Remarquablement, le module d'élasticité de Young, mesuré par spectroscopie de lumière Brillouin, n'est qu'environ 4 % plus élevé dans la phase Silk II. Cependant, les différences entre les deux structures sont prononcées en ce qui concerne les propriétés photoélastiques en raison de l'apparition de feuillets β qui dominent la structure Silk II.

Les biomatériaux optiques offrent de nombreuses fonctionnalités physiques et chimiques associées à leurs propriétés mécaniques, de segmentation et de chimie de surface. Les premières fonctions peuvent accélérer la mise en œuvre de tels matériaux dans des dispositifs photoniques innovants et fonctionnels de détection, d’imagerie et d’actionnement1,2,3,4. Une caractéristique importante de plusieurs biomatériaux à base de protéines est la transition de structure métastable-stable modifiant les caractéristiques optiques5,6 du matériau. La soie extraite de Bombyx Mori est un biomatériau naturel réputé pour ses applications dans l'habillement et la chirurgie. Dans le même temps, sa protéine fibroïne, sous forme régénérée, a été largement étudiée pour son utilisation dans les circuits optiques, l’administration de médicaments et les composants de détection7. En raison de sa biocompatibilité, de sa résistance mécanique, de sa transmission optique élevée et de sa mouillabilité sur mesure, la fibroïne de soie est considérée comme l'épine dorsale du développement de dispositifs de détection portables et implantables8,9, permettant la réalisation de composants pouvant être fixés sur la peau avec des fonctions optoélectroniques facilement accessibles10. Un problème important qui se pose pour la réalisation de dispositifs photoniques portables11 à base de soie, attachés à la peau12, est celui de la photoélasticité, à savoir dans quelle mesure la réfractivité et la biréfringence de la fibroïne de soie changeront sous l'effet d'une stimulation mécanique. Par exemple, les caractéristiques de fonctionnement des dispositifs optiques en contact adhésif avec les tissus cutanés humains peuvent dépendre des forces mécaniques directement exercées au niveau de la région d'interface. Concernant la photoélasticité de la soie, la littérature limitée fait principalement référence à la biréfringence induite par la contrainte dans les filaments vierges du ver à soie 13,14, alors qu'à notre connaissance, il n'existe aucun rapport sur la fibroïne de soie régénérée. La photoélasticité corrèle les propriétés mécaniques et optiques d'un matériau reflétant la structure locale sur la réponse macroscopique. La structure locale spécifique de la fibroïne de soie régénérée, où les structures protéiques telles que les bobines aléatoires, les feuilles β et les conglomérats d'hélices α, rendent une étude de photo-élasticité particulièrement importante.

Nous rapportons ici les propriétés photoélastiques de la fibroïne de soie, en utilisant la résonance lumineuse en mode galerie chuchotante (WGM) dans des résonateurs cylindriques coulés sur des poutres de support en fibre de verre. En raison du facteur Q élevé, la dispersion modale du confinement de la lumière, sensible à la polarisation, facilitée par la résonance WGM15 permet la détection de changements minimes de biréfringence produisant le coefficient optique de contrainte et permettant une corrélation avec la polarisabilité moléculaire des matériaux mous16. Des cavités cylindriques en fibroïne de soie de taille micrométrique sont d'abord formées dans Silk I (métastable) puis transformées en Silk II (stable), permettant une étude in situ de l'effet de la structure sur le comportement photoélastique de la fibroïne de soie. La formation de feuillets β dans Silk II modifie simultanément les propriétés optiques et mécaniques de la fibroïne de soie, dominant sa photoélasticité. Alors que la fibroïne de soie a déjà été utilisée dans la fabrication de cavités cylindriques WGM sur des substrats plans17, l'application de la résonance WGM dans l'étude de la photoélasticité d'un biomatériau à base de protéines est une nouvelle approche, mise en œuvre explicitement pour le cas de la fibroïne de soie. . Pour un aperçu détaillé de l'origine des différences photoélastiques entre les structures amorphes et semi-cristallines de la fibroïne de soie, les modules d'Young élastiques et le coefficient de Poisson des deux phases sont mesurés à déformation nulle par spectroscopie de lumière Brillouin sans contact et non invasive. (BLS). BLS permet de découpler les propriétés mécaniques des deux structures de soie de leurs propriétés de réfractivité optique/polarisabilité18. Compte tenu des modules de Young étonnamment très similaires, la photoélasticité de la fibroïne de soie est principalement déterminée par les propriétés optiques des conformations de feuillet β formées en excès dans la soie semi-cristalline II, la soie I étant moins biréfringente en raison de faible teneur en feuilles β et plastification de l'eau.