Edusammud femtosekundilise lasertöötlustehnoloogia biomeditsiiniliste rakenduste vallas Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikoolis (USTC)

Koetehnoloogia eesmärk on konstrueerida füsioloogiliste funktsioonidega kudesid ja elundeid inimkeha haiguste ja defektide parandamiseks. Kliinilistes rakendustes on kasutatud ainult naha-, kõhre- ja luukoetehnoloogia tooteid, kuna in vitro konstrueeritud kudedel puudub ühilduv verevarustussüsteem. Teadlased on edukalt trükkinud tehissüdameid, maksa, kopse, neere ning muid kudesid ja elundeid, kuid tehislike mikrovaskulaarsete võrkude, eriti kapillaarvõrkude (toru läbimõõt 6–9 μm), trükkimine on koetehnoloogias alati olnud keeruline probleem ja kitsaskoht. .
Hiljuti pakkus Hiina teadus- ja tehnoloogiaülikooli (USTC) tehnikateaduste kooli mikro- ja nanotehnika labori dotsent Jiawen Li töörühm välja femtosekundilise laserdünaamilise holograafilise töötlemise meetodi, mis sobib 3D-kapillaarkarkasside tõhusaks ehitamiseks. 3D kapillaarvõrkude loomine. Töö avaldati kui "Keerulise morfoloogiaga 3D biomimeetiliste kapillaarvõrkude kiire ehitamine, kasutades dünaamilist holograafilist töötlemist. Töö avaldati Advanced Functional Materialsis pealkirjaga "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing" ja see oli valiti ajakirja kaanepaberiks ja sellega seotud tehnoloogia oli volitatud patendiga.
Femtosekundilise laseriga kahe fotoni polümerisatsioonil on nanoskaala töötlemise eraldusvõime ja kolmemõõtmeline valmistamisvõime, kuid traditsiooniline töötlemisstrateegia mikrovaskulaarsete võrkude printimiseks on ebaefektiivne. Eelnevale tööle tuginedes pakub rühm välja lokaalse faasimodulatsiooni meetodi, mis põhineb rõngakujulisel Besseli kiirel, et tekitada rõngakujuline sälkvalgusväli, ning kasutab kiirelt muutuvat sälkudega rõngast valgust, et valgustada fotoresisti sees, et saavutada tõhus. keeruka kujuga kaheharuliste mikrotuubulite võrkude ja biooniliste poorsete mikrotuubulite töötlemine ning töötlemiskiirus on üle 30 korra suurem kui traditsioonilisel punkt-punktis töötlemismeetodil. Rühm kasutas poorset mikrotuubulite võrku karkassina, et suunata endoteelirakud vastu seina kasvama, realiseerides määratletava morfoloogiaga keeruliste mikrovaskulaarsete võrkude ehitamise ning see töö loob platvormi uurimistööks koetehnoloogia ja ravimite sõeluuringu valdkondades. ja veresoonte füsioloogia. Töö esimesed autorid on magistrant Bowen Song, doktorant Shengying Fan ja järeldoktor Chaowei Wang ning vastav autor on Jiawen Li.
Viimastel aastatel on Li rühm aktiivselt uurinud femtosekundilise lasertöötlustehnoloogia rakendamist biomeditsiini valdkonnas ning on teinud edusamme mikro-nanorobotite valmistamise meetodil. Mikro-nanorobotid näitavad biomeditsiini valdkonnas suuri rakendusväljavaateid. Mikrorobotite suuremahuliseks ettevalmistamiseks ja juhitavaks transportimiseks keerulistes keskkondades pakub rühm välja tõhusa keskkonnatundlike mikrospiraalsete robotite valmistamise meetodi, mis põhineb pöörlevalt dünaamilisel holograafilisel valgusväljal ja mis suudab töödelda tuhandeid hüdrogeel-mikroroboteid. -spiraalsed robotid 0,5 tunni jooksul. Robot realiseerib oma morfoloogia intelligentset adaptiivset deformatsiooni pH reguleerimisel ja seejärel ilmnevad magnetvälja juhtimisel mitmesugused liikumisrežiimid, realiseerides ravimite fikseeritud punkti transportimise. Mikrospiraalsete robotite madala magnetilise sisalduse probleemi lahendamiseks on liikumapanev jõud väike, keskkonna voolukiiruse mõjust on raske üle saada, rühm pakub välja protsessil põhineva kahe fotoni polümerisatsiooni moodustamise ja paagutamise meetodi. puhtast niklist spiraalse mikroroboti valmistamisel suurendab spiraalsete robotite magnetisisaldus umbes 90 massiprotsenti madala intensiivsusega pöörlevas magnetväljas magnetmomenti, maksimaalset kiirust kuni 12,5 kehapikkust sekundis ja võib liikuma panna. eseme kaal on 200 korda suurem ja magnetmomenti suurendab madala tugevusega pöörlev magnetväli.
Lisaks uuris Jiawen Li rühm mikro-nanostruktuuride mõju neuronite kasvukäitumisele femtosekundilise laseri kahe footoni töötlemisel. Koostöös prof Guo-Qiang Bi-ga bioteaduste ja meditsiini osakonnast ning dotsent Weiping Dingiga infoteaduste ja tehnoloogia koolist valmistasid nad femtosekundilise kahe footoni tehnoloogia abil ette erinevate vahekauguste ja kõrgustega mustriliste mikropiilarite massiivid, ja leidis, et neuronaalsed aksonid kaldusid kasvama isomeetrilistel mikrosambadel ning et nad suutsid mikrosamba ridu konstrueerides juhtida neuronite suunalist kasvu ja närviahelate moodustumist. Aksonaalsest müelinisatsioonist inspireerituna simuleeris liigeserühm aksonaalset müeliniseerumist, kavandades ja valmistades erineva läbimõõduga, seinapaksuse ja pikkusega mikrotuubulite struktuure ning leidis, et mikrotuubulite struktuurid on võimelised kiirendama neuronaalsete aksonite kasvukiirust (üle 10 korra). Lisaks pihustas ühendrühm magnetiliselt õhukese nikli magnetkile ja bioühilduva õhukese titaankile mikrotuubulite pinnale, mida saab kasutada neuronite täpseks ühendamiseks välise magnetväljaga manipuleerimisel, et moodustada spetsiifiline. bioloogiline närviahel. Mikronanostruktuurid on võimelised suunama ja kiirendama neuronite kasvu, mis annab meetodeid ja ideid isoleeritud närviklastrite suunaliseks ühendamiseks, närvivõrgu ehitamiseks ja närvikahjustuste kiireks parandamiseks.