Femtosekundinio lazerinio apdorojimo technologijos biomedicinos pritaikymo pažanga Kinijos mokslo ir technologijų universitete (USTC)

Audinių inžinerijos tikslas – konstruoti audinius ir organus, turinčius fiziologinių funkcijų, kad būtų galima taisyti žmogaus organizmo ligas ir defektus. Klinikiniais tikslais buvo naudojami tik odos, kremzlių ir kaulų audinių inžinerijos produktai, nes in vitro sukurti audiniai neturi suderinamos kraujo tiekimo sistemos. Mokslininkai sėkmingai atspausdino dirbtines širdis, kepenis, plaučius, inkstus ir kitus audinius bei organus, tačiau dirbtinių mikrovaskulinių tinklų, ypač kapiliarinių tinklų (vamzdžio skersmuo nuo 6 iki 9 μm), spausdinimas visada buvo sudėtinga audinių inžinerijos problema ir kliūtis. .
Neseniai Kinijos mokslo ir technologijos universiteto (USTC) Inžinerijos mokslų mokyklos Mikro ir nano inžinerijos laboratorijos docento Jiawen Li grupė pasiūlė femtosekundžių lazerinio dinaminio holografinio apdorojimo metodą, tinkantį efektyviam 3D kapiliarinių pastolių konstravimui. 3D kapiliarinių tinklų generavimas. Darbas buvo paskelbtas kaip "Spartus 3D biomimetinių kapiliarinių tinklų su sudėtinga morfologija konstravimas naudojant dinaminį holografinį apdorojimą. Darbas buvo paskelbtas Advanced Functional Materials pavadinimu "Spartus 3D biomimetinių kapiliarinių tinklų su sudėtinga morfologija konstravimas naudojant dinaminį holografinį apdorojimą" ir buvo pasirinktas kaip žurnalo viršelis, o susijusi technologija buvo patvirtinta patentu.
Femtosekundinė lazerinė dviejų fotonų polimerizacija turi nanoskalės apdorojimo skiriamąją gebą ir trimačius gamybos pajėgumus, tačiau tradicinė apdorojimo strategija spausdinti mikrovaskulinius tinklus yra neveiksminga. Remdamasi ankstesniu darbu, grupė siūlo vietinį fazės moduliavimo metodą, pagrįstą žiedo formos Besselio spinduliu, kad būtų sukurtas žiedo formos įpjovos šviesos laukas, ir naudoja greitai kintantį įpjovos žiedinį šviesą, kad eksponuotų fotorezisto viduje, kad būtų pasiektas efektyvus efektas. sudėtingų formų dvišakių mikrovamzdelių tinklų ir bioninių poringų mikrovamzdelių apdorojimas, o apdorojimo greitis yra daugiau nei 30 kartų didesnis nei tradicinio taškinio apdorojimo metodo. Grupė naudojo porėtą mikrovamzdelių tinklą kaip pastolius, kad nukreiptų endotelio ląsteles augti prie sienos, realizuojant sudėtingų mikrovaskulinių tinklų su apibrėžta morfologija konstrukciją, o šis darbas suteiks platformą mokslinių tyrimų darbui audinių inžinerijos, vaistų atrankos srityse. ir kraujagyslių fiziologija. Bowen Song, magistrantūros studentas, Shengying Fan, doktorantas ir Chaowei Wang, podoktorantas, yra pirmieji šio straipsnio autoriai, o Jiawen Li yra atitinkamas autorius.
Pastaraisiais metais Li grupė aktyviai tyrinėjo femtosekundinių lazerinių apdorojimo technologijų taikymą biomedicinos srityje ir padarė pažangą mikro-nano robotų paruošimo būdu. Mikronano robotai rodo puikias taikymo perspektyvas biomedicinos srityje. Siekdama realizuoti didelio tūrio paruošimą ir kontroliuojamą mikrorobotų transportavimą sudėtingose ​​aplinkose, grupė siūlo efektyvų į aplinką reaguojančių mikrospiralinių robotų paruošimo būdą, pagrįstą sukimosi dinamišku holografiniu šviesos lauku, galinčiu apdoroti tūkstančius hidrogelio mikro. -spiraliniai robotai per 0.5h. Robotas suvokia intelektualią adaptyvią savo morfologijos deformaciją, reguliuojant pH, ir tada, veikiant magnetiniam laukui, atsiranda įvairūs judėjimo režimai, realizuojant vaistų transportavimą fiksuotu tašku. Siekiant išspręsti mažo magnetinio kiekio mikrospiraliniuose robotuose problemą, varomoji jėga yra maža, sunku įveikti aplinkos srauto greičio įtaką, grupė siūlo dviejų fotonų polimerizacijos formavimo ir sukepinimo metodą, pagrįstą procesu. Gaminant gryno nikelio spiralinį mikrorobotą, sraigtinio roboto magnetinis kiekis yra apie 90 masės%, mažo intensyvumo besisukantis magnetinis laukas padidina magnetinį sukimo momentą, maksimalų greitį iki 12,5 kūno ilgio per sekundę ir gali varyti objekto svoris didesnis nei jo paties 200 kartų, o magnetinį sukimo momentą sustiprina mažo stiprumo besisukantis magnetinis laukas.
Be to, Jiawen Li grupė ištyrė mikro-nano struktūrų poveikį neuronų augimo elgsenai, pagrįsta femtosekundiniu lazeriu dviejų fotonų apdorojimu. Bendradarbiaudami su Gyvosios gamtos mokslų ir medicinos katedros prof. Guo-Qiang Bi ir Informacijos mokslo ir technologijų mokyklos docentu Weiping Ding, jie parengė raštuotų mikrostulpelių masyvus su skirtingais tarpais ir aukščiais, naudodami femtosekundinę dviejų fotonų technologiją, ir nustatė, kad neuronų aksonai buvo linkę augti ant izometrinių mikrostulpų ir kad jie galėjo nukreipti kryptingą neuronų augimą ir nervų grandinių formavimąsi, sukonstruodami mikrostulpų eilutes. Įkvėpta aksoninės mielinizacijos, jungtinė grupė imitavo aksonų mielinizaciją, kurdama ir paruošdama skirtingo skersmens, sienelių storio ir ilgio mikrotubulų struktūras ir nustatė, kad mikrotubulų struktūros galėjo pagreitinti neuronų aksonų augimo greitį (daugiau nei 10 kartų). Be to, jungtinė grupė ant mikrovamzdelių paviršiaus magnetiniu būdu išpurškė ploną magnetinę nikelio plėvelę ir biologiškai suderinamą ploną titano plėvelę, kuri gali būti naudojama tiksliai sujungti neuronus, manipuliuojant išoriniu magnetiniu lauku, kad susidarytų specifinis biologinė nervų grandinė. Mikronanostruktūros geba kryptingai ir paspartinti neuronų augimą, o tai suteiks metodų ir idėjų kryptiniam izoliuotų nervų sankaupų sujungimui, neuronų tinklų konstravimui ir greitam nervų pažeidimo atstatymui.