Fortschritte bei biomedizinischen Anwendungen der Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologie an der Universität für Wissenschaft und Technologie von China (USTC)

Der Zweck des Tissue Engineering besteht darin, Gewebe und Organe mit physiologischen Funktionen zur Reparatur von Krankheiten und Defekten im menschlichen Körper zu konstruieren. In klinischen Anwendungen wurden nur Haut-, Knorpel- und Knochengewebezüchtungsprodukte verwendet, da in vitro hergestellte Gewebe über kein kompatibles Blutversorgungssystem verfügen. Wissenschaftler haben erfolgreich künstliche Herzen, Lebern, Lungen, Nieren und andere Gewebe und Organe gedruckt, aber der Druck künstlicher mikrovaskulärer Netzwerke, insbesondere Kapillarnetzwerke (Röhrendurchmesser von 6 bis 9 μm), war schon immer ein schwieriges Problem und ein Engpass im Tissue Engineering .
Kürzlich hat die Gruppe von Associate Prof. Jiawen Li im Micro and Nano Engineering Laboratory der School of Engineering Science der University of Science and Technology of China (USTC) eine dynamische holographische Femtosekunden-Laserverarbeitungsmethode vorgeschlagen, die für den effizienten Aufbau von 3D-Kapillargerüsten geeignet ist Generierung von 3D-Kapillarnetzwerken. Die Arbeit wurde als „Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing“ veröffentlicht. Die Arbeit wurde in Advanced Functional Materials unter dem Titel „Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing“ veröffentlicht und war Als Titelpapier der Zeitschrift wurde ausgewählt und die entsprechende Technologie wurde durch ein Patent autorisiert.
Die Femtosekundenlaser-Zweiphotonenpolymerisation verfügt über eine Verarbeitungsauflösung im Nanomaßstab und eine dreidimensionale Herstellungsfähigkeit, die herkömmliche Verarbeitungsstrategie zum Drucken mikrovaskulärer Netzwerke ist jedoch ineffizient. Basierend auf der vorherigen Arbeit schlägt die Gruppe eine lokale Phasenmodulationsmethode vor, die auf dem ringförmigen Bessel-Strahl basiert, um ein ringförmiges gekerbtes Lichtfeld zu erzeugen, und nutzt das sich schnell ändernde gekerbte Ringlicht, um das Innere des Fotolacks zu belichten, um die Effizienz zu realisieren Verarbeitung von komplex geformten gegabelten Mikrotubuli-Netzwerken und bionischen porösen Mikrotubuli, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist über 30-mal höher als die der herkömmlichen Punkt-für-Punkt-Verarbeitungsmethode. Die Gruppe nutzte das poröse Mikrotubuli-Netzwerk als Gerüst, um Endothelzellen beim Wachstum an der Wand zu leiten und so den Aufbau komplexer mikrovaskulärer Netzwerke mit definierbarer Morphologie zu realisieren. Diese Arbeit wird eine Plattform für Forschungsarbeiten in den Bereichen Tissue Engineering und Arzneimittelscreening bieten und Gefäßphysiologie. Bowen Song, ein Masterstudent, Shengying Fan, ein Doktorand, und Chaowei Wang, ein Postdoktorand, sind die Co-Erstautoren der Arbeit, und Jiawen Li ist der korrespondierende Autor.
In den letzten Jahren hat Lis Gruppe aktiv die Anwendung der Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologie im biomedizinischen Bereich erforscht und Fortschritte bei der Vorbereitungsmethode für Mikro-Nano-Roboter erzielt. Mikro-Nano-Roboter bieten große Anwendungsaussichten im biomedizinischen Bereich. Um die großvolumige Vorbereitung und den kontrollierbaren Transport von Mikrorobotern in komplexen Umgebungen zu realisieren, schlägt die Gruppe eine effiziente Vorbereitungsmethode für auf die Umgebung reagierende Mikro-Helix-Roboter vor, die auf einem rotationsdynamischen holographischen Lichtfeld basiert und Tausende von Hydrogel-Mikrorobotern verarbeiten kann -Helix-Roboter innerhalb von 0,5 Stunden. Der Roboter realisiert die intelligente adaptive Verformung seiner eigenen Morphologie unter der Regulierung des pH-Werts, und dann treten unter dem Antrieb des Magnetfelds verschiedene Bewegungsmodi auf, wodurch der Fixpunkttransport von Medikamenten realisiert wird. Um das Problem des geringen magnetischen Gehalts von Mikrohelix-Robotern zu lösen, da die Antriebskraft gering ist und der Einfluss der Umgebungsströmungsrate nur schwer zu überwinden ist, schlägt die Gruppe ein auf dem Verfahren basierendes Zwei-Photonen-Polymerisations-Formungs- und Sinterverfahren vor Bei der Herstellung eines spiralförmigen Mikroroboters aus reinem Nickel erhöht der magnetische Gehalt des spiralförmigen Roboters von etwa 90 Gew.-% im rotierenden Magnetfeld geringer Intensität das magnetische Drehmoment, die maximale Geschwindigkeit auf bis zu 12,5 Körperlängen pro Sekunde und kann den Roboter antreiben Das Gewicht des Objekts ist 200-mal größer als sein eigenes, und das magnetische Drehmoment wird durch ein rotierendes Magnetfeld geringer Stärke verstärkt.
Darüber hinaus untersuchte die Gruppe von Jiawen Li die Auswirkungen von Mikro-Nano-Strukturen auf das neuronale Wachstumsverhalten auf Basis der Femtosekundenlaser-Zweiphotonenverarbeitung. In Zusammenarbeit mit Prof. Guo-Qiang Bi von der Abteilung für Biowissenschaften und Medizin und Associate Prof. Weiping Ding von der School of Information Science and Technology stellten sie mithilfe der Femtosekunden-Zwei-Photonen-Technologie Arrays aus strukturierten Mikropillen mit unterschiedlichen Abständen und Höhen her. und fanden heraus, dass neuronale Axone dazu neigten, auf isometrischen Mikropillaren zu wachsen, und dass sie durch den Aufbau der Mikropillarreihen in der Lage waren, das gerichtete Wachstum von Neuronen und die Bildung neuronaler Schaltkreise zu steuern. Inspiriert durch die axonale Myelinisierung simulierte die gemeinsame Gruppe die axonale Myelinisierung, indem sie Mikrotubuli-Strukturen mit unterschiedlichen Durchmessern, Wandstärken und Längen entwarf und vorbereitete, und stellte fest, dass die Mikrotubuli-Strukturen in der Lage waren, die Wachstumsrate neuronaler Axone zu beschleunigen (mehr als das Zehnfache). Darüber hinaus hat die gemeinsame Gruppe magnetisch einen magnetischen dünnen Film aus Nickel und einen biokompatiblen dünnen Film aus Titan auf die Oberfläche der Mikrotubuli gesputtert, der für die präzise Verbindung von Neuronen unter Manipulation eines externen Magnetfelds verwendet werden kann, um ein bestimmtes zu bilden biologischer neuronaler Schaltkreis. Die Mikro-Nanostrukturen sind in der Lage, gerichtetes und beschleunigtes neuronales Wachstum zu ermöglichen, was Methoden und Ideen für die gerichtete Verbindung isolierter Nervencluster, den Aufbau neuronaler Netzwerke und die schnelle Reparatur von Nervenschäden liefern wird.