Framsteg i biomedicinska tillämpningar av femtosekundlaserteknik vid University of Science and Technology of China (USTC)

Syftet med vävnadsteknik är att konstruera vävnader och organ med fysiologiska funktioner för att reparera sjukdomar och defekter i människokroppen. Endast hud-, brosk- och benvävnadstekniska produkter har använts i kliniska tillämpningar eftersom vävnader konstruerade in vitro saknar ett kompatibelt blodförsörjningssystem. Forskare har framgångsrikt tryckt konstgjorda hjärtan, lever, lungor, njurar och andra vävnader och organ, men utskrift av konstgjorda mikrovaskulära nätverk, särskilt kapillärnätverk (rördiameter på 6 till 9 μm), har alltid varit ett svårt problem och flaskhals i vävnadsteknik .
Nyligen har biträdande professor Jiawen Lis grupp vid Micro and Nano Engineering Laboratory, School of Engineering Science, University of Science and Technology of China (USTC) föreslagit en femtosekund laser dynamisk holografisk bearbetningsmetod lämplig för effektiv konstruktion av 3D kapillärställningar för genererar 3D-kapillärnätverk. Verket publicerades som "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing Arbetet publicerades i Advanced Functional Materials under titeln "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing" och var valdes som omslagspapper för tidskriften, och den relaterade teknologin godkändes av ett patent.
Femtosekundlaser-tvåfotonpolymerisation har bearbetningsupplösning i nanoskala och tredimensionell tillverkningskapacitet, men den traditionella bearbetningsstrategin för att skriva ut mikrovaskulära nätverk är ineffektiv. Baserat på det tidigare arbetet, föreslår gruppen en lokal fasmoduleringsmetod baserad på den ringformade Bessel-strålen för att generera ett ringformat notched ljusfält, och använder det snabbt föränderliga notched ringljuset för att exponera inuti fotoresisten för att realisera den effektiva bearbetning av komplexa formförgrenade mikrotubulinätverk och bioniska porösa mikrotubuli, och bearbetningshastigheten är över 30 gånger högre än den för den traditionella punkt-för-punkt-bearbetningsmetoden. Gruppen använde det porösa mikrotubulinätverket som en byggnadsställning för att styra endotelceller att växa mot väggen, förverkliga konstruktionen av komplexa mikrovaskulära nätverk med definierbar morfologi, och detta arbete kommer att ge en plattform för forskningsarbete inom områdena vävnadsteknik, läkemedelsscreening och vaskulär fysiologi. Bowen Song, en masterstudent, Shengying Fan, en doktorand, och Chaowei Wang, en postdoktor, är de första författarna till uppsatsen, och Jiawen Li är motsvarande författare.
Under de senaste åren har Lis grupp aktivt undersökt tillämpningen av femtosekundlaserbehandlingsteknologi inom det biomedicinska området och har gjort framsteg i beredningsmetoden för mikronanorobotar. Mikro-nano-robotar visar stora tillämpningsmöjligheter inom det biomedicinska området. För att förverkliga den stora volymberedningen och den kontrollerbara transporten av mikrorobotar i komplexa miljöer, föreslår gruppen en effektiv förberedelsemetod för miljökänsliga mikrospiralformade robotar baserad på rotationsdynamiskt holografiskt ljusfält, som kan bearbeta tusentals hydrogelmikro. -spiralformade robotar inom 0.5h. Roboten realiserar den intelligenta adaptiva deformationen av sin egen morfologi under reglering av pH, och sedan uppstår en mängd olika rörelselägen under drivningen av magnetfältet, vilket förverkligar fixpunktstransport av läkemedel. För att lösa problemet med lågt magnetiskt innehåll i mikrospiralformade robotar är drivkraften liten, det är svårt att övervinna påverkan av miljöflödeshastigheten, gruppen föreslår en tvåfotonpolymerisationsformnings- och sintringsmetod baserad på processen för att förbereda en spiralmikrorobot av rent nickel, spiralrobotarnas magnetiska innehåll på cirka 90 viktprocent, i det lågintensiva roterande magnetfältet ökar det magnetiska vridmomentet, den maximala hastigheten på upp till 12,5 kroppslängder per sekund, och kan driva fram föremålets vikt än sin egen 200 gånger, och i Det magnetiska vridmomentet förstärks av ett roterande magnetfält med låg styrka.
Dessutom undersökte Jiawen Lis grupp effekterna av mikro-nanostrukturer på neuronalt tillväxtbeteende baserat på femtosekund laser två-foton bearbetning. I samarbete med professor Guo-Qiang Bi vid institutionen för biovetenskap och medicin och docent Weiping Ding vid School of Information Science and Technology, förberedde de uppsättningar av mönstrade mikropelare med olika avstånd och höjder med hjälp av femtosekunders tvåfotonteknologi, och fann att neuronala axoner tenderade att växa på isometriska mikropelare, och att de kunde styra den riktade tillväxten av neuroner och bildandet av neurala kretsar genom att konstruera mikropelarraderna. Inspirerad av axonal myelinisering simulerade ledgruppen axonal myelinisering genom att designa och förbereda mikrotubulistrukturer med olika diametrar, väggtjocklekar och längder, och fann att mikrotubulusstrukturerna kunde accelerera tillväxthastigheten för neuronala axoner (mer än 10 gånger). Dessutom sputtrade ledgruppen magnetiskt en magnetisk tunn film av nickel och en biokompatibel tunn film av titan på ytan av mikrotubulierna, som kan användas för den exakta anslutningen av neuroner under manipulering av ett externt magnetfält för att bilda ett specifikt biologiska neurala kretsar. Mikronanostrukturerna är kapabla till riktad och accelererad neuronal tillväxt, vilket kommer att ge metoder och idéer för riktad anslutning av isolerade nervkluster, neurala nätverkskonstruktion och snabb reparation av nervskador.