Fremgang i biomedisinske anvendelser av femtosekund laserbehandlingsteknologi ved University of Science and Technology of China (USTC)

Formålet med vevsteknikk er å konstruere vev og organer med fysiologiske funksjoner for å reparere sykdommer og defekter i menneskekroppen. Bare hud-, brusk- og benvevstekniske produkter har blitt brukt i kliniske applikasjoner fordi vev konstruert in vitro mangler et kompatibelt blodtilførselssystem. Forskere har med suksess trykt kunstige hjerter, lever, lunger, nyrer og andre vev og organer, men utskrift av kunstige mikrovaskulære nettverk, spesielt kapillærnettverk (rørdiameter på 6 til 9 μm), har alltid vært et vanskelig problem og flaskehals i vevsteknikk. .
Nylig har førsteamanuensis Jiawen Lis gruppe i Micro and Nano Engineering Laboratory, School of Engineering Science, University of Science and Technology of China (USTC) foreslått en femtosekund laser dynamisk holografisk prosesseringsmetode egnet for effektiv konstruksjon av 3D kapillærstillaser for generere 3D-kapillærnettverk. Verket ble publisert som "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing Arbeidet ble publisert i Advanced Functional Materials under tittelen "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing" og var valgt som omslagspapir for tidsskriftet, og den relaterte teknologien ble godkjent av et patent.
Femtosekund laser to-foton polymerisering har nanoskala prosesseringsoppløsning og tredimensjonal fabrikasjonsevne, men den tradisjonelle prosesseringsstrategien for å skrive ut mikrovaskulære nettverk er ineffektiv. Basert på det forrige arbeidet foreslår gruppen en lokal fasemodulasjonsmetode basert på den ringformede Bessel-strålen for å generere et ringformet hakk-lysfelt, og bruker det raskt skiftende hakk-ringlyset for å eksponere inne i fotoresisten for å realisere den effektive prosessering av komplekse form todelte mikrotubulinettverk og bioniske porøse mikrotubuli, og prosesseringshastigheten er over 30 ganger høyere enn for den tradisjonelle punkt-for-punkt prosesseringsmetoden. Gruppen brukte det porøse mikrotubulusnettverket som et stillas for å lede endotelceller til å vokse mot veggen, og realiserte konstruksjonen av komplekse mikrovaskulære nettverk med definerbar morfologi, og dette arbeidet vil gi en plattform for forskningsarbeid innen feltene vevsteknikk, medikamentscreening og vaskulær fysiologi. Bowen Song, en masterstudent, Shengying Fan, en doktorgradsstudent, og Chaowei Wang, en postdoktor, er de første forfatterne av artikkelen, og Jiawen Li er den tilsvarende forfatteren.
De siste årene har Li's gruppe aktivt utforsket anvendelsen av femtosekund laserbehandlingsteknologi i det biomedisinske feltet, og har gjort fremskritt i fremstillingsmetoden for mikro-nano-roboter. Mikro-nano-roboter viser store applikasjonsmuligheter innen det biomedisinske feltet. For å realisere store volum forberedelse og kontrollerbar transport av mikroroboter i komplekse miljøer, foreslår gruppen en effektiv forberedelsesmetode for miljøresponsive mikrospiralformede roboter basert på rotasjonsdynamisk holografisk lysfelt, som kan behandle tusenvis av hydrogel mikro -spiralformede roboter innen 0,5 timer. Roboten realiserer den intelligente adaptive deformasjonen av sin egen morfologi under regulering av pH, og deretter oppstår en rekke bevegelsesmoduser under driften av magnetfeltet, og realiserer fastpunktstransporten av medikamenter. For å løse problemet med lavt magnetisk innhold av mikrospiralformede roboter, er drivkraften liten, det er vanskelig å overvinne påvirkningen av den miljømessige strømningshastigheten, gruppen foreslår en to-foton polymerisasjonsformings- og sintringsmetode basert på prosessen ved å klargjøre en spiralmikrorobot i ren nikkel, spiralrobotens magnetiske innhold på ca. 90 vekt%, i det roterende magnetfeltet med lav intensitet øker det magnetiske dreiemomentet, den maksimale hastigheten på opptil 12,5 kroppslengder per sekund, og kan drive frem vekten av objektet enn sin egen 200 ganger, og i Det magnetiske dreiemomentet forsterkes av et roterende magnetfelt med lav styrke.
I tillegg utforsket Jiawen Lis gruppe effektene av mikro-nanostrukturer på nevronal vekstatferd basert på femtosekund laser to-foton prosessering. I samarbeid med prof. Guo-Qiang Bi ved Institutt for biovitenskap og medisin og førsteamanuensis Weiping Ding ved School of Information Science and Technology, utarbeidet de arrays av mønstrede mikrosøyler med forskjellig avstand og høyde ved å bruke femtosekunders to-foton-teknologi, og fant at nevronale aksoner hadde en tendens til å vokse på isometriske mikrosøyler, og at de var i stand til å styre retningsveksten av nevroner og dannelsen av nevrale kretsløp ved å konstruere mikrosøylerrekkene. Inspirert av aksonal myelinisering, simulerte leddgruppen aksonal myelinisering ved å designe og forberede mikrotubulusstrukturer med forskjellige diametre, veggtykkelser og lengder, og fant ut at mikrotubulusstrukturene var i stand til å akselerere veksthastigheten til nevronale aksoner (mer enn 10 ganger). I tillegg sputterte leddgruppen magnetisk en magnetisk tynn film av nikkel og en biokompatibel tynn film av titan på overflaten av mikrotubuli, som kan brukes til nøyaktig tilkobling av nevroner under manipulering av et eksternt magnetfelt for å danne et spesifikt biologisk nevrale kretsløp. Mikro-nanostrukturene er i stand til retningsbestemt og akselerert nevronal vekst, noe som vil gi metoder og ideer for retningskobling av isolerte nerveklynger, nevrale nettverkskonstruksjon og rask reparasjon av nerveskader.