Hydrogel-based side-emitting optical waveguides for light and heat delivery

Abstract

Side-emitting optical fibers enable controlled light delivery along their length. A major challenge in fabricating soft, side-emitting fibers for biomedical use is achieving continuous processing with tunable optical properties along the fiber axis. This thesis presents hydrogel-based optical fibers with tunable side-emission using multimaterial extrusion printing. Diacrylated Pluronic F-127 (PluDA) serves as the waveguiding ink, while a PluDA-nanoparticle mix acts as the scattering ink. By switching between inks, 1 mm diameter fibers with segments up to <500 µm are produced continuously. Segment length is controlled by adjusting the switching time. Side-emission is evaluated via fluorescence excitation in a hydrogel with fluorescent particles, demonstrating controlled light distribution in a simulated biological environment. To add photothermal functionality, plasmonic nanomaterials are embedded in PluDA inks. Gold nanorods are used to enable localized heating under NIR light. Core-cladding waveguides are printed with refractive index contrast achieved by varying PluDA content. Stability and spatially controlled heating are assessed under 808 nm irradiation. This research advances the design and fabrication of soft optical waveguides by developing inks and processing windows for multimaterial extrusion printing. The findings contribute to the development of waveguides for biomedical applications, like targeted optical stimulation or localized hyperthermia treatments.

Seitlich abstrahlende optische Fasern ermöglichen eine kontrollierte Lichtabgabe entlang ihrer Länge. Eine zentrale Herausforderung bei der Herstellung weicher, seitlich abstrahlender Fasern für biomedizinische Anwendungen ist die kontinuierliche Fertigung mit anpassbaren optischen Eigenschaften entlang der Faserachse. Diese Arbeit stellt Hydrogel-basierte optische Fasern mit steuerbarer Seitenemission vor, gefertigt mittels multimaterialiellem Extrusionsdruck. Diacryliertes Pluronic F-127 (PluDA) dient als lichtleitende Tinte, eine Mischung aus PluDA und Nanopartikeln als streuende Tinte. Durch Wechsel der Tinten entstehen kontinuierlich Fasern mit 1 mm Durchmesser und Segmentlängen von bis ≤500 μm, präzise gesteuert über die Schaltzeit. Die Seitenemission wird durch Fluoreszenzanregung in einem Hydrogel mit fluoreszierenden Partikeln bewertet und zeigt eine kontrollierte Lichtverteilung in simuliertem Gewebe. Zur Integration photothermischer Funktionalität werden plasmonische Nanomaterialien in PluDA eingebettet. Goldnanorods ermöglichen lokales Erhitzen unter NIR-Licht. Kern-Mantel-Wellenleiter mit Brechungsindexkontrast entstehen durch Variation des PluDA-Gehalts. Stabilität und ortsabhängige Erwärmung werden unter 808 nm Bestrahlung untersucht. Diese Arbeit unterstützt die Entwicklung weicher optischer Wellenleiter für gezielte Lichtstimulation oder lokale Hyperthermie.