Kemajuan dalam Penerapan Biomedis Teknologi Pemrosesan Laser Femtosecond Di Universitas Sains dan Teknologi China (USTC)

Tujuan dari rekayasa jaringan adalah untuk membangun jaringan dan organ dengan fungsi fisiologis untuk memperbaiki penyakit dan cacat pada tubuh manusia. Hanya produk rekayasa kulit, tulang rawan, dan jaringan tulang yang telah digunakan dalam aplikasi klinis karena jaringan yang dibuat secara in vitro tidak memiliki sistem suplai darah yang kompatibel. Para ilmuwan telah berhasil mencetak jantung, hati, paru-paru, ginjal, dan jaringan serta organ buatan lainnya, namun pencetakan jaringan mikrovaskuler buatan, terutama jaringan kapiler (diameter tabung 6 hingga 9 μm), selalu menjadi masalah yang sulit dan hambatan dalam rekayasa jaringan. .
Baru-baru ini, kelompok Associate Prof. Jiawen Li di Laboratorium Teknik Mikro dan Nano, Sekolah Sains Teknik, Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok (USTC) telah mengusulkan metode pemrosesan holografik dinamis laser femtosecond yang cocok untuk konstruksi perancah kapiler 3D yang efisien untuk menghasilkan jaringan kapiler 3D. Karya tersebut diterbitkan sebagai "Konstruksi Cepat Jaringan Kapiler Biomimetik 3D dengan Morfologi Kompleks Menggunakan Pemrosesan Holografik Dinamis Karya tersebut diterbitkan dalam Bahan Fungsional Tingkat Lanjut dengan judul" Konstruksi Cepat Jaringan Kapiler Biomimetik 3D dengan Morfologi Kompleks Menggunakan Pemrosesan Holografik Dinamis" dan dulu dipilih sebagai kertas sampul jurnal, dan teknologi terkait diberi izin paten.
Polimerisasi dua foton laser Femtosecond memiliki resolusi pemrosesan skala nano dan kemampuan fabrikasi tiga dimensi, tetapi strategi pemrosesan tradisional untuk mencetak jaringan mikrovaskuler tidak efisien. Berdasarkan pekerjaan sebelumnya, kelompok tersebut mengusulkan metode modulasi fase lokal berdasarkan sinar Bessel berbentuk cincin untuk menghasilkan bidang cahaya berlekuk berbentuk cincin, dan memanfaatkan cahaya cincin berlekuk yang berubah dengan cepat untuk mengekspos bagian dalam photoresist guna mewujudkan efisiensi pemrosesan jaringan mikrotubulus bercabang dua bentuk kompleks dan mikrotubulus berpori bionik, dan kecepatan pemrosesan lebih dari 30 kali lebih tinggi dibandingkan metode pemrosesan titik demi titik tradisional. Kelompok ini menggunakan jaringan mikrotubulus berpori sebagai perancah untuk memandu sel-sel endotel agar tumbuh menempel pada dinding, mewujudkan pembangunan jaringan mikrovaskuler yang kompleks dengan morfologi yang dapat ditentukan, dan pekerjaan ini akan memberikan landasan untuk pekerjaan penelitian di bidang rekayasa jaringan, skrining obat. dan fisiologi vaskular. Bowen Song, seorang mahasiswa master, Shengying Fan, seorang mahasiswa doktoral, dan Chaowei Wang, seorang rekan pascadoktoral, adalah penulis pendamping pertama makalah ini, dan Jiawen Li adalah penulis koresponden.
Dalam beberapa tahun terakhir, kelompok Li telah secara aktif menjajaki penerapan teknologi pemrosesan laser femtosecond di bidang biomedis, dan telah membuat kemajuan dalam metode persiapan robot mikro-nano. Robot mikro-nano menunjukkan prospek penerapan yang bagus di bidang biomedis. Untuk mewujudkan persiapan volume besar dan pengangkutan robot mikro yang terkendali di lingkungan yang kompleks, kelompok ini mengusulkan metode persiapan robot mikroheliks yang responsif terhadap lingkungan secara efisien berdasarkan bidang cahaya holografik dinamis rotasi, yang dapat memproses ribuan mikrohidrogel. -robot heliks dalam waktu 0,5 jam. Robot menyadari deformasi adaptif cerdas dari morfologinya sendiri di bawah pengaturan pH, dan kemudian berbagai mode gerakan terjadi di bawah penggerak medan magnet, mewujudkan transportasi obat pada titik tetap. Untuk mengatasi masalah kandungan magnet yang rendah pada robot mikroheliks, gaya penggeraknya kecil, dan sulit untuk mengatasi pengaruh laju aliran lingkungan, kelompok tersebut mengusulkan metode pembentukan dan sintering polimerisasi dua foton berdasarkan proses tersebut. menyiapkan robot mikro heliks nikel murni, kandungan magnet robot heliks sekitar 90% berat, dalam medan magnet berputar intensitas rendah meningkatkan torsi magnet, kecepatan maksimum hingga 12,5 panjang tubuh per detik, dan dapat mendorong berat benda 200 kali lebih besar daripada beratnya sendiri, dan torsi magnetik ditingkatkan oleh medan magnet berputar berkekuatan rendah.
Selain itu, kelompok Jiawen Li mengeksplorasi efek struktur mikro-nano pada perilaku pertumbuhan saraf berdasarkan pemrosesan dua foton laser femtosecond. Weiping Ding dari Sekolah Sains dan Teknologi Informasi, mereka menyiapkan susunan mikropilar berpola dengan jarak dan ketinggian berbeda menggunakan teknologi dua foton femtosecond. dan menemukan bahwa akson saraf cenderung tumbuh pada mikropilar isometrik, dan mereka mampu memandu arah pertumbuhan neuron dan pembentukan sirkuit saraf dengan membangun baris mikropilar. Terinspirasi oleh mielinisasi aksonal, kelompok gabungan melakukan simulasi mielinisasi aksonal dengan merancang dan menyiapkan struktur mikrotubulus dengan diameter, ketebalan dan panjang dinding yang berbeda, dan menemukan bahwa struktur mikrotubulus mampu mempercepat laju pertumbuhan akson saraf (lebih dari 10 kali lipat). Selain itu, kelompok gabungan tersebut secara magnetis menyemprotkan lapisan tipis magnetik nikel dan lapisan tipis titanium biokompatibel pada permukaan mikrotubulus, yang dapat digunakan untuk koneksi neuron yang tepat di bawah manipulasi medan magnet eksternal untuk membentuk suatu medan magnet tertentu. sirkuit saraf biologis. Struktur mikro-nano mampu mengarahkan dan mempercepat pertumbuhan saraf, yang akan memberikan metode dan ide untuk koneksi terarah dari kelompok saraf yang terisolasi, konstruksi jaringan saraf, dan perbaikan kerusakan saraf dengan cepat.