Напредък в биомедицинските приложения на технологията за фемтосекундна лазерна обработка в Университета за наука и технологии на Китай (USTC)

Целта на тъканното инженерство е да конструира тъкани и органи с физиологични функции за възстановяване на заболявания и дефекти в човешкото тяло. Само продукти за инженерство на кожа, хрущял и костна тъкан са използвани в клинични приложения, тъй като тъканите, конструирани in vitro, нямат съвместима система за кръвоснабдяване. Учените успешно са отпечатали изкуствени сърца, черен дроб, бели дробове, бъбреци и други тъкани и органи, но отпечатването на изкуствени микроваскуларни мрежи, особено капилярни мрежи (диаметър на тръбата от 6 до 9 μm), винаги е било труден проблем и пречка в тъканното инженерство .
Наскоро групата на доц. Jiawen Li в Лабораторията за микро и нано инженерство, Училището по инженерни науки, Университет за наука и технологии на Китай (USTC) предложи фемтосекунден лазерен динамичен холографски метод за обработка, подходящ за ефективно конструиране на 3D капилярни скелета за генериране на 3D капилярни мрежи. Работата е публикувана като „Бързо изграждане на 3D биомиметични капилярни мрежи със сложна морфология с помощта на динамична холографска обработка“ Работата е публикувана в Advanced Functional Materials под заглавието „Бързо изграждане на 3D биомиметични капилярни мрежи със сложна морфология с помощта на динамична холографска обработка“ и е избран за корична хартия на списанието и свързаната технология е разрешена с патент.
Фемтосекундната лазерна двуфотонна полимеризация има разделителна способност на наноразмерна обработка и възможност за триизмерно производство, но традиционната стратегия за обработка за отпечатване на микроваскуларни мрежи е неефективна. Въз основа на предишната работа, групата предлага метод за локална фазова модулация, базиран на пръстеновидния лъч на Бесел, за генериране на пръстеновидно назъбено светлинно поле и използва бързо променящата се назъбена пръстеновидна светлина, за да изложи вътре във фоторезиста, за да реализира ефективното обработка на мрежи от микротубули със сложна форма и бионични порести микротубули, като скоростта на обработка е над 30 пъти по-висока от тази на традиционния метод на обработка точка по точка. Групата използва порестата микротубулна мрежа като скеле за насочване на ендотелните клетки да растат срещу стената, реализирайки изграждането на сложни микроваскуларни мрежи с дефинируема морфология и тази работа ще предостави платформа за изследователска работа в областта на тъканното инженерство, скрининга на лекарства и съдова физиология. Bowen Song, магистър, Shengying Fan, докторант, и Chaowei Wang, постдокторант, са съавторите на статията, а Jiawen Li е съответният автор.
През последните години групата на Ли активно проучва приложението на фемтосекундна лазерна технология за обработка в областта на биомедицината и постигна напредък в метода за подготовка на микро-нано роботи. Микро-нано роботите показват големи перспективи за приложение в областта на биомедицината. За да се реализира подготовката на голям обем и контролируемото транспортиране на микро-роботи в сложни среди, групата предлага ефективен метод за подготовка на реагиращи на околната среда микро-спирални роботи, базирани на ротационно динамично холографско светлинно поле, което може да обработва хиляди хидрогелни микро -спирални роботи в рамките на 0.5h. Роботът реализира интелигентната адаптивна деформация на собствената си морфология при регулиране на pH и след това се появяват различни режими на движение под задвижването на магнитното поле, реализирайки транспортирането на лекарства във фиксирана точка. За да се реши проблемът с ниското магнитно съдържание на микроспиралните роботи, движещата сила е малка, трудно е да се преодолее влиянието на дебита на околната среда, групата предлага двуфотонна полимеризация, формиращ и синтероващ метод, базиран на процеса при подготовката на спирален микроробот от чист никел, магнитното съдържание на спиралните роботи от около 90 тегл.%, във въртящото се магнитно поле с нисък интензитет повишава магнитния въртящ момент, максималната скорост до 12,5 дължини на тялото в секунда и може да задвижи теглото на обекта над собственото му 200 пъти, а в. Магнитният въртящ момент се усилва от въртящо се магнитно поле с ниска сила.
В допълнение, групата на Jiawen Li изследва ефектите на микро-нано структурите върху поведението на растежа на невроните въз основа на фемтосекундна лазерна двуфотонна обработка. В сътрудничество с проф. Guo-Qiang Bi от Департамента по науки за живота и медицина и доц. Weiping Ding от Училището по информационни науки и технологии, те подготвиха масиви от шарени микропилари с различно разстояние и височина, използвайки фемтосекундна двуфотонна технология, и установиха, че невроналните аксони са склонни да растат върху изометрични микропилари и че те са в състояние да ръководят насочения растеж на невроните и формирането на невронни вериги чрез конструиране на редовете на микропиларите. Вдъхновена от аксоналната миелинизация, съвместната група симулира аксонална миелинизация чрез проектиране и подготовка на микротубулни структури с различни диаметри, дебелини на стените и дължини и установи, че микротубулните структури са в състояние да ускорят скоростта на растеж на невронните аксони (повече от 10 пъти). Освен това съвместната група разпраши магнитно тънък филм от никел и биосъвместим тънък филм от титан върху повърхността на микротубулите, които могат да се използват за прецизно свързване на неврони при манипулиране на външно магнитно поле за образуване на специфичен биологична невронна верига. Микро-наноструктурите са способни на насочен и ускорен растеж на невроните, което ще предостави методи и идеи за насочено свързване на изолирани нервни клъстери, изграждане на невронни мрежи и бързо възстановяване на нервни увреждания.