Avenços en aplicacions biomèdiques de la tecnologia de processament làser de femtosegons a la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina (USTC)

El propòsit de l'enginyeria de teixits és construir teixits i òrgans amb funcions fisiològiques per reparar malalties i defectes del cos humà. Només s'han utilitzat productes d'enginyeria de pell, cartílag i teixit ossi en aplicacions clíniques perquè els teixits construïts in vitro no tenen un sistema de subministrament de sang compatible. Els científics han imprès amb èxit cors, fetges, pulmons, ronyons i altres teixits i òrgans artificials, però la impressió de xarxes microvasculars artificials, especialment xarxes capil·lars (diàmetre del tub de 6 a 9 μm), sempre ha estat un problema difícil i un coll d'ampolla en l'enginyeria de teixits. .
Recentment, el grup del professor associat Jiawen Li al Laboratori d'Enginyeria Micro i Nano, Escola de Ciències de l'Enginyeria, Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina (USTC) ha proposat un mètode de processament hologràfic dinàmic làser de femtosegon adequat per a la construcció eficient de bastides capil·lars 3D per a generant xarxes capil·lars 3D. El treball es va publicar com a "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing". El treball es va publicar a Advanced Functional Materials sota el títol "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing" seleccionat com a document de portada de la revista, i la tecnologia relacionada va ser autoritzada per una patent.
La polimerització làser de dos fotons de femtosegon té una resolució de processament a nanoescala i una capacitat de fabricació tridimensional, però l'estratègia de processament tradicional per imprimir xarxes microvasculars és ineficient. Basant-se en el treball anterior, el grup proposa un mètode de modulació de fase local basat en el feix de Bessel en forma d'anell per generar un camp de llum en forma d'anell i utilitza la llum d'anell de canvi ràpid per exposar a l'interior del fotoresistent per adonar-se de l'eficiència eficient. processament de xarxes de microtúbuls bifurcats de forma complexa i microtúbuls porosos biònics, i la velocitat de processament és més de 30 vegades superior a la del mètode tradicional de processament punt per punt. El grup va utilitzar la xarxa de microtúbuls porosos com a bastida per guiar les cèl·lules endotelials per créixer contra la paret, realitzant la construcció de xarxes microvasculars complexes amb morfologia definible, i aquest treball proporcionarà una plataforma per a treballs de recerca en els camps de l'enginyeria de teixits, el cribratge de fàrmacs. i fisiologia vascular. Bowen Song, estudiant de màster, Shengying Fan, estudiant de doctorat, i Chaowei Wang, becari postdoctoral, són els coautors primers de l'article, i Jiawen Li és l'autor corresponent.
En els darrers anys, el grup de Li ha estat explorant activament l'aplicació de la tecnologia de processament làser femtosegon en el camp biomèdic i ha avançat en el mètode de preparació de micro-nano robots. Els micro-nano robots mostren grans perspectives d'aplicació en l'àmbit biomèdic. Per tal de realitzar la preparació de grans volums i el transport controlable de micro-robots en entorns complexos, el grup proposa un mètode eficient de preparació de robots micro-helicoïdals sensibles al medi ambient basat en un camp de llum hologràfic dinàmic de rotació, que pot processar milers de micro-hidrogels. -robots helicoïdals en 0.5h. El robot s'adona de la deformació adaptativa intel·ligent de la seva pròpia morfologia sota la regulació del pH, i després es produeixen una varietat de modes de moviment sota l'impuls del camp magnètic, realitzant el transport de fàrmacs de punt fix. Per resoldre el problema del baix contingut magnètic dels robots microhelicoïdals, la força motriu és petita, és difícil superar la influència del cabal ambiental, el grup proposa un mètode de formació i sinterització de polimerització de dos fotons basat en el procés. de preparar un micro-robot helicoïdal de níquel pur, el contingut magnètic dels robots helicoïdals d'un 90% en pes, en el camp magnètic giratori de baixa intensitat millora el parell magnètic, la velocitat màxima de fins a 12,5 longituds de cos per segon i pot impulsar el pes de l'objecte que el seu propi 200 vegades, i en el El parell magnètic es millora per un camp magnètic giratori de baixa intensitat.
A més, el grup de Jiawen Li va explorar els efectes de les estructures micro-nano en el comportament del creixement neuronal basat en el processament làser de dos fotons de femtosegon. En col·laboració amb el professor Guo-Qiang Bi del Departament de Ciències de la Vida i Medicina i el professor associat Weiping Ding de l'Escola de Ciència i Tecnologia de la Informació, van preparar matrius de micropilars estampats amb diferents espais i alçades mitjançant la tecnologia de dos fotons de femtosegons, i va trobar que els axons neuronals tendien a créixer en micropilars isomètrics i que eren capaços de guiar el creixement direccional de les neurones i la formació de circuits neuronals mitjançant la construcció de les files de micropilars. Inspirat en la mielinització axonal, el grup conjunt va simular la mielinització axonal dissenyant i preparant estructures de microtúbuls amb diferents diàmetres, gruixos de paret i longituds, i va trobar que les estructures de microtúbuls eren capaços d'accelerar la taxa de creixement dels axons neuronals (més de 10 vegades). A més, el grup conjunt va escampar magnèticament una pel·lícula fina magnètica de níquel i una pel·lícula prima biocompatible de titani a la superfície dels microtúbuls, que es pot utilitzar per a la connexió precisa de les neurones sota la manipulació d'un camp magnètic extern per formar un camp magnètic específic. circuit neuronal biològic. Les micro-nanoestructures són capaços de creixement neuronal direccional i accelerat, que proporcionarà mètodes i idees per a la connexió direccional de grups nerviosos aïllats, construcció de xarxes neuronals i reparació ràpida del dany nerviós.