Kürzlich hat die Gruppe von außerordentlichem Professor Li Jiawen am Labor für Mikro- und Nanotechnik der School of Engineering Science der University of Science and Technology of China (USTC) eine dynamische holographische Femtosekundenlaser-Verarbeitungsmethode für den effizienten Aufbau von 3D-Kapillargerüsten vorgeschlagen, die sein kann Wird zur Erzeugung von 3D-Kapillarnetzwerken verwendet. 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 ein lokales Phasenmodulationsverfahren vor, das auf dem ringförmigen Bessel-Strahl basiert, um ein ringförmiges, gekerbtes Lichtfeld zu erzeugen, und nutzt das sich schnell ändernde, gekerbte, ringförmige Licht, um das Innere des Fotolacks zu belichten Die hocheffiziente Bearbeitung des Netzwerks aus komplex geformten, gegabelten Mikrotubuli und bionischen porösen Mikrotubuli ermöglicht eine mehr als 30-mal höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit als bei der herkömmlichen Punkt-für-Punkt-Bearbeitungsmethode. 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.
Abbildung Effiziente Konstruktionsmethode eines mikrovaskulären Netzwerks: (a) Schematische Darstellung der dynamischen holographischen effizienten Verarbeitung; (b) gegabelte Mikrotubuli; (c) Endothelzellen auf der Oberfläche von Mikrotubuli
In den letzten Jahren hat die Gruppe von Jiawen Li aktiv die Anwendung der Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologie im biomedizinischen Bereich erforscht und Fortschritte bei der Vorbereitungsmethode für Mikro-Nano-Roboter erzielt. Mikro-Nano-Roboter zeigen große Anwendungsaussichten im Bereich der Biomedizin. 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 eine intelligente adaptive Verformung seiner eigenen Morphologie unter pH-Regulierung, die wiederum mehrere durch ein Magnetfeld angetriebene Bewegungsmodi erzeugt und einen gezielten Medikamententransport erreicht (ACS Nano 2021, 15, 18048; Light: Adv. Manufacturing 2023, 4: 29). Um das Problem des geringen Magnetgehalts und der geringen Antriebskraft von Mikrohelix-Robotern zu lösen, die den Einfluss der Umgebungsströmungsgeschwindigkeit nur schwer überwinden können, schlug die Gruppe einen Prozess vor, der auf der Zwei-Photonen-Polymerisationsformungs- und Sintermethode zur Herstellung von reinem Material basiert Nickel-Helix-Mikroroboter, die einen magnetischen Anteil von etwa 90 Gew.-% haben, steigerten das magnetische Drehmoment unter einem rotierenden Magnetfeld geringer Stärke mit einer Höchstgeschwindigkeit von 12,5 Körperlängen pro Sekunde und der Fähigkeit, ein 200-mal schwereres Objekt anzutreiben selbst und zur kontrollierten Bewegung in einer Flüssigkeit (Lab Chip, 2024, DOI: 10.1039/d3lc01084h).
Abb. Mikro-Nano-Spiralroboter: (a) effiziente Vorbereitung und Umweltreaktionseigenschaften von Hydrogel-Mikro-Nano-Robotern; (b) Mikro-Nano-Metallroboter können den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit überwinden.
Darüber hinaus untersuchte die Gruppe von Jiawen Li die Wirkung von Mikro-Nanostrukturen auf das neuronale Wachstumsverhalten auf Basis der Femtosekundenlaser-Zwei-Photonen-Verarbeitungstechnologie. In Zusammenarbeit mit Prof. Guo-Qiang Bi vom Department of Life Sciences and Medicine und Associate Prof. Weiping Ding von der School of Information Science and Technology verwendeten sie die Femtosekunden-Zwei-Photonen-Technologie, um Anordnungen strukturierter Mikrosäulen mit unterschiedlichen Abständen und Höhen herzustellen und fanden heraus, dass neuronale Axone dazu neigen, auf isometrischen Mikropillen zu wachsen, und dass Neuronen durch den Aufbau der Mikropillarreihen zu gerichtetem Wachstum und neuronalen Schaltkreisen geführt werden können (Adv. Healthcare Mater. 2021, 10, 2100094). Inspiriert durch die axonale Myelinisierung entwarf und präparierte die gemeinsame Gruppe Mikrotubuli-Strukturen mit unterschiedlichen Durchmessern, Wandstärken und Längen, um die axonale Myelinisierung nachzuahmen, 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 spezifische biologische Verbindungen zu bilden neuronale Schaltkreise (Nano Lett., 2022, 22: 8991). Die Mikro-Nanostrukturen sind in der Lage, das gerichtete Wachstum und das beschleunigte Wachstum von Neuronen zu realisieren, was Methoden und Ideen für die gerichtete Verbindung isolierter Nervencluster, den Aufbau neuronaler Netzwerke und die schnelle Reparatur von Nervenschäden liefern wird.
Abb. Wirkung der Mikro-Nano-Struktur auf das neuronale Axonwachstum: (a) neuronale Axone wachsen gerichtet entlang von Mikrosäulen gleicher Höhe; (b) poröse Mikrotubuli beschleunigen das neuronale Axonwachstum und können eine gerichtete Verbindung von Neuronen realisieren.
Die oben genannten Forschungsarbeiten wurden von der National Natural Science Foundation of China, dem Key Research and Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie und dem großen Forschungsprojekt der Provinz Anhui für Wissenschaft und Technologie unterstützt.
