Прогресс в биомедицинском применении технологии фемтосекундной лазерной обработки в Университете науки и технологий Китая (USTC)

Цель тканевой инженерии — создание тканей и органов с физиологическими функциями для устранения заболеваний и дефектов человеческого организма. В клинических целях использовались только продукты инженерии кожи, хрящей и костной ткани, поскольку ткани, созданные in vitro, не имеют совместимой системы кровоснабжения. Ученые успешно печатали искусственные сердца, печень, легкие, почки и другие ткани и органы, но печать искусственных микрососудистых сетей, особенно капиллярных (диаметр трубок от 6 до 9 мкм), всегда была сложной проблемой и узким местом в тканевой инженерии. .
Недавно группа доцента Цзявэня Ли из Лаборатории микро- и наноинженерии Школы инженерных наук Китайского университета науки и технологий (USTC) предложила метод фемтосекундной лазерной динамической голографической обработки, подходящий для эффективного создания трехмерных капиллярных каркасов для создание 3D капиллярных сетей. Работа была опубликована как «Быстрое построение 3D биомиметических капиллярных сетей со сложной морфологией с использованием динамической голографической обработки». Работа была опубликована в журнале Advanced Functional Materials под названием «Быстрое построение 3D биомиметических капиллярных сетей со сложной морфологией с использованием динамической голографической обработки» и была выбран в качестве обложки журнала, а соответствующая технология была запатентована.
Фемтосекундная лазерная двухфотонная полимеризация имеет наномасштабное разрешение обработки и возможность трехмерного изготовления, но традиционная стратегия обработки для печати микрососудистых сетей неэффективна. Основываясь на предыдущей работе, группа предлагает метод локальной фазовой модуляции на основе кольцеобразного луча Бесселя для создания кольцеобразного светового поля с надрезом и использует быстро меняющийся кольцевой свет с надрезом для экспонирования внутри фоторезиста для реализации эффективного эффекта. обработка раздвоенных сетей микротрубочек сложной формы и бионических пористых микротрубочек, а скорость обработки более чем в 30 раз выше, чем у традиционного метода точечной обработки. Группа использовала сеть пористых микротрубочек в качестве каркаса, направляющего рост эндотелиальных клеток к стенке, реализуя построение сложных микрососудистых сетей с определяемой морфологией, и эта работа предоставит платформу для исследовательской работы в области тканевой инженерии и скрининга лекарств. и физиология сосудов. Боуэн Сун, студент магистратуры, Шэнъин Фань, докторант, и Чаовэй Ван, постдокторант, являются соавторами статьи, а Цзявэнь Ли — автором-переписчиком.
В последние годы группа Ли активно изучает применение технологии фемтосекундной лазерной обработки в биомедицинской области и добилась прогресса в методе изготовления микро-нанороботов. Микро-нанороботы демонстрируют большие перспективы применения в биомедицинской сфере. Чтобы реализовать подготовку больших объемов и контролируемую транспортировку микророботов в сложных средах, группа предлагает эффективный метод подготовки чувствительных к окружающей среде микроспиральных роботов, основанный на вращательно-динамическом голографическом световом поле, который может обрабатывать тысячи гидрогелевых микроспиралей. -спиральные роботы в течение 0.5ч. Робот реализует интеллектуальную адаптивную деформацию своей собственной морфологии под регулированием pH, а затем под действием магнитного поля возникают различные режимы движения, реализующие транспортировку лекарств в фиксированной точке. Чтобы решить проблему низкого магнитного содержания микроспиральных роботов, движущая сила мала, трудно преодолеть влияние скорости потока окружающей среды, группа предлагает метод формования и спекания двухфотонной полимеризацией, основанный на процессе подготовки спирального микроробота из чистого никеля, магнитное содержание спиральных роботов около 90% по весу, во вращающемся магнитном поле низкой интенсивности увеличивает магнитный крутящий момент, максимальную скорость до 12,5 длин тела в секунду и может приводить в движение вес объекта превышает его собственный в 200 раз, а магнитный крутящий момент усиливается за счет вращающегося магнитного поля малой силы.
Кроме того, группа Цзявэня Ли исследовала влияние микро-наноструктур на поведение роста нейронов на основе фемтосекундной лазерной двухфотонной обработки. В сотрудничестве с профессором Го-Цян Би с факультета наук о жизни и медицины и доцентом Вейпин Дином из Школы информационных наук и технологий они подготовили массивы узорчатых микростолбиков с разным расстоянием и высотой, используя фемтосекундную двухфотонную технологию. и обнаружили, что аксоны нейронов имеют тенденцию расти на изометрических микростолбиках и что они способны управлять направленным ростом нейронов и формированием нервных цепей путем построения рядов микропилляров. Вдохновленная аксональной миелинизацией, совместная группа смоделировала аксональную миелинизацию, спроектировав и подготовив структуры микротрубочек с разными диаметрами, толщиной стенок и длиной, и обнаружила, что структуры микротрубочек способны ускорять скорость роста нейрональных аксонов (более чем в 10 раз). Кроме того, совместная группа магнитным напылением нанесла на поверхность микротрубочек тонкую магнитную пленку никеля и биосовместимую тонкую пленку титана, которые можно использовать для точного соединения нейронов под действием внешнего магнитного поля для формирования специфического соединения. биологический нейронный контур. Микронаноструктуры способны к направленному и ускоренному росту нейронов, что обеспечит методы и идеи для направленного соединения изолированных нервных кластеров, построения нейронных сетей и быстрого восстановления повреждений нервов.