Edistyminen femtosekundin laserkäsittelytekniikan biolääketieteellisissä sovelluksissa Kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa (USTC)

Kudostekniikan tarkoituksena on rakentaa fysiologisesti toimivia kudoksia ja elimiä ihmiskehon sairauksien ja vikojen korjaamiseksi. Kliinisissä sovelluksissa on käytetty vain iho-, rusto- ja luukudostekniikan tuotteita, koska in vitro konstruoiduista kudoksista puuttuu yhteensopiva verensyöttöjärjestelmä. Tutkijat ovat tulostaneet menestyksekkäästi tekosydämiä, maksaa, keuhkoja, munuaisia ​​ja muita kudoksia ja elimiä, mutta keinotekoisten mikroverisuoniverkkojen, erityisesti kapillaariverkkojen (putken halkaisija 6-9 μm) tulostaminen on aina ollut vaikea ongelma ja pullonkaula kudostekniikassa. .
Äskettäin apulaisprofessori Jiawen Li:n ryhmä Mikro- ja nanotekniikan laboratoriossa, Tekniikan korkeakoulussa, Kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa (USTC) on ehdottanut femtosekunnin laserdynaamista holografista käsittelymenetelmää, joka soveltuu 3D-kapillaaritelineiden tehokkaaseen rakentamiseen. 3D-kapillaariverkkojen luominen. Teos julkaistiin nimellä "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology using Dynamic Holographic Processing. Työ julkaistiin Advanced Functional Materialsissa otsikolla "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing" ja se oli valittiin lehden kansipaperiksi ja siihen liittyvä tekniikka oli patentilla hyväksytty.
Femtosekundin laserkaksifotonin polymeroinnilla on nanomittakaavan prosessointiresoluutio ja kolmiulotteinen valmistuskyky, mutta perinteinen prosessointistrategia mikrovaskulaaristen verkkojen tulostamiseen on tehoton. Edellisen työn pohjalta ryhmä ehdottaa renkaanmuotoiseen Besselin säteeseen perustuvaa paikallista vaihemodulaatiomenetelmää renkaan muotoisen lovetun valokentän luomiseksi ja hyödyntää nopeasti muuttuvaa lovettua rengasvaloa valottamaan fotoresistin sisällä tehokkaan tehokkuuden saavuttamiseksi. monimutkaisten kaksihaaraisten mikrotubulusverkkojen ja bionisten huokoisten mikrotubulusten käsittely, ja käsittelynopeus on yli 30 kertaa suurempi kuin perinteisellä piste-pisteeltä käsittelymenetelmällä. Ryhmä käytti huokoista mikrotubulusverkkoa telineenä ohjaamaan endoteelisoluja kasvamaan seinää vasten ja toteuttaen monimutkaisten mikroverisuoniverkkojen rakentamisen, joilla on määriteltävä morfologia, ja tämä työ tarjoaa alustan tutkimustyölle kudostekniikan ja lääkeseulonnan aloilla. ja verisuonifysiologia. Maisteriopiskelija Bowen Song, tohtoriopiskelija Shengying Fan ja tohtori Chaowei Wang ovat paperin ensimmäisiä kirjoittajia, ja Jiawen Li on vastaava kirjoittaja.
Li:n ryhmä on viime vuosina aktiivisesti tutkinut femtosekundin laserprosessointiteknologian soveltamista biolääketieteen alalla ja edistynyt mikronanorobottien valmistusmenetelmässä. Mikronanorobotit osoittavat suuria sovellusmahdollisuuksia biolääketieteen alalla. Toteuttaakseen mikrorobottien suuren volyymin valmistuksen ja ohjattavan kuljetuksen monimutkaisissa ympäristöissä, ryhmä ehdottaa tehokasta valmistusmenetelmää ympäristöherkille mikrokierteisille roboteille, jotka perustuvat pyörivästi dynaamiseen holografiseen valokenttään ja jotka pystyvät käsittelemään tuhansia hydrogeelimikrogeeliä. -kierteiset robotit 0,5 tunnin sisällä. Robotti toteuttaa oman morfologiansa älykkään mukautuvan muodonmuutoksen pH:n säätelyn alaisena, minkä jälkeen magneettikentän ohjauksessa tapahtuu erilaisia ​​liiketiloja, jotka toteuttavat lääkkeiden kiinteän pisteen kuljetuksen. Mikrokierteisten robottien alhaisen magneettisen sisällön ongelman ratkaisemiseksi käyttövoima on pieni, ympäristön virtausnopeuden vaikutusta on vaikea voittaa, ryhmä ehdottaa prosessiin perustuvaa kaksifotonipolymerointimuodostus- ja sintrausmenetelmää. puhtaan nikkelin kierteisen mikrorobotin valmistuksessa kierteisen robotin magneettipitoisuus noin 90 painoprosenttia alhaisen intensiteetin pyörivässä magneettikentässä parantaa magneettista vääntömomenttia, maksiminopeus on jopa 12,5 kehon pituutta sekunnissa ja voi ajaa esineen paino ylittää omansa 200 kertaa, ja magneettivääntömomenttia parantaa heikkovoimainen pyörivä magneettikenttä.
Lisäksi Jiawen Li:n ryhmä tutki mikronanorakenteiden vaikutuksia hermosolujen kasvukäyttäytymiseen perustuen femtosekundin laserkaksifotonikäsittelyyn. Yhteistyössä biotieteiden ja lääketieteen laitoksen professori Guo-Qiang Bin ja tietotekniikan korkeakoulun apulaisprofessori Weiping Dingin kanssa he valmistivat joukon kuviollisia mikropilareja, joiden välit ja korkeudet vaihtelivat käyttämällä femtosekundistä kaksifotonitekniikkaa, ja havaitsivat, että hermosolujen aksonit pyrkivät kasvamaan isometristen mikropilareiden päällä ja että ne pystyivät ohjaamaan neuronien suunnattua kasvua ja hermopiirien muodostumista rakentamalla mikropilaririvejä. Aksonaalisen myelinisaation inspiroimana nivelryhmä simuloi aksonaalista myelinaatiota suunnittelemalla ja valmistamalla mikrotubulusrakenteita, joilla oli eri halkaisijat, seinämäpaksuudet ja -pituudet, ja havaitsivat, että mikrotubulusrakenteet pystyivät kiihdyttämään hermosolujen aksonien kasvunopeutta (yli 10 kertaa). Lisäksi nivelryhmä sputteroi magneettisesti magneettisen ohuen nikkelikalvon ja bioyhteensopivan ohuen titaanikalvon mikrotubulusten pinnalle, jota voidaan käyttää hermosolujen tarkkaan yhdistämiseen ulkoisen magneettikentän manipuloinnin alaisena muodostaen spesifisen magneettikentän. biologinen hermopiiri. Mikronanorakenteet kykenevät suunnattuun ja kiihdytettyyn hermosolujen kasvuun, mikä tarjoaa menetelmiä ja ideoita eristettyjen hermoklustereiden suuntaamiseen, hermoverkkojen rakentamiseen ja hermovaurioiden nopeaan korjaamiseen.