Nylig har førsteamanuensis Li Jiawens 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 for effektiv konstruksjon av 3D kapillærstillaser, som kan brukes til å generere 3D-kapillærnettverk. Arbeidet 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-ringformede lyset for å eksponere inne i fotoresisten, og realiserer høyeffektiv maskinering av det komplekse formen todelte mikrotubuli-nettverket og bioniske porøse mikrotubuli, og maskineringshastigheten er over 30 ganger høyere enn for den tradisjonelle punkt-for-punkt maskineringsmetoden. 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.
Figur Effektiv konstruksjonsmetode for mikrovaskulært nettverk: (a) Skjematisk av dynamisk holografisk effektiv prosessering; (b) forgrenede mikrotubuli; (c) Endotelceller på overflaten av mikrotubuli
De siste årene har gruppen til Jiawen Lis aktivt utforsket anvendelsen av femtosekund-laserbehandlingsteknologi i det biomedisinske feltet, og har gjort fremskritt i forberedelsesmetoden til mikro-nano-roboter. Mikro-nano-roboter viser store applikasjonsmuligheter innen biomedisin. 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 intelligent adaptiv deformasjon av sin egen morfologi under pH-regulering, som igjen genererer flere bevegelsesmoduser drevet av et magnetfelt, og oppnår målrettet medikamenttransport (ACS Nano 2021, 15, 18048; Light: Adv. Manufacturing 2023, 4: 29). For å løse problemet med lavt magnetisk innhold og liten drivkraft til mikrospiralformede roboter, som er vanskelige å overvinne effekten av miljøstrømningshastighet, foreslo gruppen en prosess basert på to-foton polymerisasjonsforming og sintringsmetode for å forberede ren nikkel spiralformede mikroroboter, som har et magnetisk innhold på ca. 90 vekt%, forbedret magnetisk dreiemoment under et roterende magnetfelt med lav styrke, med en maksimal hastighet på 12,5 kroppslengder per sekund og evnen til å drive et objekt 200 ganger tyngre enn seg selv, og til kontrollert bevegelse i en væske (Lab Chip, 2024, DOI: 10.1039/d3lc01084h).
Fig. Mikro-nano spiralroboter: (a) effektive forberedelses- og miljøresponsegenskaper til hydrogel mikro-nano-roboter; (b) mikro-nano metallroboter kan overvinne effekten av strømningshastighet.
I tillegg utforsket Jiawen Lis gruppe effekten av mikronanostrukturer på nevronal vekstatferd basert på femtosekund laser to-foton prosesseringsteknologi. I samarbeid med prof. Guo-Qiang Bi ved Institutt for biovitenskap og medisin og førsteamanuensis Weiping Ding ved School of Information Science and Technology, brukte de femtosekunders to-foton-teknologi for å forberede arrays av mønstrede mikrosøyler med forskjellige avstander og høyder , og fant at nevronale aksoner hadde en tendens til å vokse på isometriske mikrosøyler, og at nevroner kunne ledes til retningsvekst og nevrale kretsløp ved å konstruere mikrosøyleradene (Adv. Healthcare Mater. 2021, 10, 2100094). Inspirert av aksonal myelinisering designet og preparerte fellesgruppen mikrotubulusstrukturer med forskjellige diametre, veggtykkelser og lengder for å etterligne aksonal myelinisering, og fant ut at mikrotubulusstrukturene var i stand til å akselerere veksthastigheten til neuronale 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 kobling av nevroner under manipulering av et eksternt magnetfelt for å danne spesifikke biologiske nevrale kretsløp (Nano Lett., 2022, 22: 8991). Mikro-nanostrukturene er i stand til å realisere retningsvekst og akselerert vekst av nevroner, noe som vil gi metoder og ideer for retningsforbindelse av isolerte nerveklynger, konstruksjon av nevrale nettverk og rask reparasjon av nerveskader.
Fig. Effekt av mikronanostruktur på nevronal aksonvekst: (a) nevronale aksoner vokser langs samme høyde mikrosøyler på en retningsbestemt måte; (b) porøse mikrotubuli akselererer nevronal aksonvekst og kan realisere retningsforbindelse av nevroner.
Ovennevnte forskningsarbeid ble støttet av National Natural Science Foundation of China, nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet til departementet for vitenskap og teknologi, og Anhui Provincial Science and Technology Major Research Project.
