En utilisant l'ADN de saumon, des chercheurs en Corée du Sud espèrent fabriquer de meilleurs dispositifs biomédicaux et autres dispositifs photoniques basés sur des couches minces organiques. Souvent utilisé dans les traitements contre le cancer et la surveillance de la santé, les films minces ont toutes les capacités des dispositifs à base de silicium avec l'avantage supplémentaire possible d'être plus compatibles avec les tissus vivants.

Un film mince est exactement ce que cela ressemble, une couche de matériau de seulement quelques nanomètres ou micromètres d'épaisseur qui peut être utilisée pour canaliser la lumière. Si le film est un diélectrique, c'est-à-dire un isolant tel que le verre - il peut être utilisé sans craindre qu'il puisse conduire l'électricité.

"L'ADN est la matière organique la plus abondante, et c'est un diélectrique transparent, comparable à la silice, " dit Kyunghwan " Ken " Oh, du Laboratoire de physique des dispositifs photoniques de l'Université Yonsei, Séoul, Corée du Sud. Dans la revue Matériaux optiques Express , de la Société d'optique (OSA), Oh et ses collègues exposent leur méthode de fabrication des films minces de manière à leur donner un contrôle précis sur les propriétés optiques et thermiques du matériau.

Comme base du verre de silice qui compose les fibres optiques, Le silicium a longtemps été un matériau dominant dans les dispositifs photoniques inorganiques, car il est facilement disponible et facile à utiliser du point de vue des matériaux. Oh soutient que l'ADN peut jouer le même rôle dans les dispositifs photoniques organiques, car il peut être trouvé dans le monde vivant. Ça pourrait, par exemple, être utilisé pour fabriquer des guides d'ondes similaires aux fibres de silice pour transporter la lumière dans le corps. Les dispositifs organiques doivent également être faciles à fabriquer, plus flexible que le silicium et respectueux de l'environnement.

"Une flèche plus acérée"

Une propriété clé des matériaux utilisés dans les dispositifs photoniques est l'indice de réfraction, qui détermine la direction de la lumière. Une fibre optique nécessite un cœur à un indice, enveloppé dans un revêtement avec un indice suffisamment différent pour que lorsque la lumière frappe l'interface entre le noyau et le revêtement, il est refoulé dans le noyau au lieu de fuir. Les fabricants de fibres optiques ont non seulement besoin d'un matériau avec deux indices de réfraction différents, ils doivent contrôler l'ampleur de cette différence pour obtenir les effets souhaités.

En affinant une méthode d'utilisation de l'ADN pour créer des films minces qui pourraient être utilisés dans des dispositifs photoniques, L'équipe d'Oh a pu obtenir une gamme d'indices de réfraction quatre fois supérieure à celle disponible dans le silicium. Avec une plus grande différence d'indice entre le noyau et la gaine, ils peuvent faire des fibres optiques beaucoup plus fines, aussi bas que 3 microns de diamètre, contre un minimum de 10 dans le silicium. Cela permet une taille de spot plus petite pour la lumière sortant de la fibre, ce qui pourrait être utile dans des applications qui doivent soigneusement cibler la lumière. "Si vous avez une petite cible, tu devrais avoir une flèche plus pointue, " a dit Oh.

Les applications potentielles pourraient inclure la thérapie photodynamique, lorsqu'un patient atteint d'un cancer reçoit un médicament ou une autre substance qui se lie aux cellules d'une tumeur et que la lumière active le médicament et détruit les cellules cancéreuses, laissant les tissus sains intacts. Les films peuvent également être utiles en optogénétique, dans lequel la lumière est utilisée pour contrôler l'activité de cellules cérébrales spécifiques, ou encore de fabriquer des capteurs pour mesurer la pression ou la teneur en oxygène de la tension artérielle qui pourraient être portés longtemps sans provoquer d'irritation car ils sont organiques.

Aux prises avec des résultats incohérents

Pour faire un film mince, qui peut servir de base à des dispositifs photoniques, les chercheurs doivent dissoudre l'ADN dans l'eau, puis dissoudre ce mélange dans un solvant organique. Le liquide est placé sur une surface, qui tourne pour que le matériau s'étale uniformément. Le solvant s'évapore ensuite pour laisser le film derrière lui. Parce que l'ADN ne se dissout pas facilement, les chercheurs le mélangent d'abord avec une solution d'eau et de cétyltriméthylammonium (CTMA), un tensioactif de type savon. Le mélange produit un précipité, qui peut ensuite être dissous dans le solvant et déposé par centrifugation.

Alors que les chercheurs utilisent cette procédure depuis plusieurs années, leurs résultats ont été incohérents. "Nous avons remarqué que, selon les papiers, l'indice de réfraction et les propriétés du matériau variaient dans une large gamme, nous étions donc très curieux à ce sujet, " a déclaré Oh. " Et nous avons découvert que le processus de fabrication était un peu différent d'un groupe de recherche à l'autre. "

Contrôler le processus

Trois étudiants diplômés du laboratoire d'Oh—Woohyun Jung, Hwiseok Jun et Seongjin Hong ont découvert qu'en contrôlant la quantité d'eau et de CTMA dans leur mélange, ils pourraient affiner l'indice de réfraction du film mince. Les tests ont révélé différents mélanges, selon qu'ils ont ajouté des gouttelettes d'eau et d'ADN dans la solution de CTMA, ou de l'eau et du CTMA dans le bain d'ADN. Oh décrit le brin d'ADN comme une corde, avec des sites le long desquels le CTMA peut se lier. "Si vous laissez tomber cette corde dans un bain CTMA, il y a des tonnes de CTMA disponibles, pour que vous puissiez tremper la corde avec le CTMA, " dit Oh. D'un autre côté, si vous déposez CTMA sur un gros lot d'ADN, la "corde" peut ne pas être complètement mouillée; C'est, il y a des zones d'ADN sans CTMA attaché.

Plus le mélange contenait d'eau, moins il y avait de CTMA, et vice versa. En contrôlant soigneusement la quantité des deux, l'équipe pourrait atteindre l'indice de réfraction souhaité. La même approche a permis de contrôler les propriétés thermiques du film, permettant aux chercheurs de contrôler à quel point l'indice de réfraction a changé lorsque le film a été chauffé ou refroidi. Cela pourrait permettre au film d'être utilisé comme capteur de température, car les changements de la lumière qui le traverse seraient liés aux changements de température.

Le laboratoire d'Oh explore également d'autres méthodes pour contrôler les propriétés optiques de l'ADN. Son espoir est de développer un ensemble de principes et de processus fondamentaux qui permettront aux fabricants de construire une large gamme de dispositifs optiques, y compris une nouvelle génération de capteurs portables.