ความก้าวหน้าในการใช้งานทางชีวการแพทย์ของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ Femtosecond ที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC)

วัตถุประสงค์ของวิศวกรรมเนื้อเยื่อคือการสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะที่มีหน้าที่ทางสรีรวิทยาเพื่อซ่อมแซมโรคและความบกพร่องในร่างกายมนุษย์ มีเพียงผลิตภัณฑ์ด้านวิศวกรรมผิวหนัง กระดูกอ่อน และเนื้อเยื่อกระดูกเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ในการใช้งานทางคลินิก เนื่องจากเนื้อเยื่อที่สร้างขึ้นในหลอดทดลองขาดระบบการจัดหาเลือดที่เข้ากันได้ นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการพิมพ์หัวใจเทียม ตับ ปอด ไต รวมถึงเนื้อเยื่อและอวัยวะอื่นๆ แต่การพิมพ์เครือข่ายไมโครหลอดเลือดเทียม โดยเฉพาะเครือข่ายเส้นเลือดฝอย (เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 6 ถึง 9 μm) ถือเป็นปัญหาที่ยากและคอขวดในงานวิศวกรรมเนื้อเยื่อมาโดยตลอด .
เมื่อเร็วๆ นี้ กลุ่มรองศาสตราจารย์ Jiawen Li ในห้องปฏิบัติการวิศวกรรมไมโครและนาโน คณะวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ได้เสนอวิธีการประมวลผลโฮโลกราฟิกไดนามิกด้วยเลเซอร์ femtosecond ซึ่งเหมาะสำหรับการสร้างโครงนั่งร้าน 3 มิติที่มีประสิทธิภาพสำหรับ การสร้างเครือข่ายเส้นเลือดฝอย 3 มิติ งานดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในชื่อ "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology โดยใช้ Dynamic Holographic Processing งานดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ใน Advanced Functional Materials ภายใต้ชื่อ "Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Used Dynamic Holographic Processing" และเป็น ได้รับเลือกให้เป็นหน้าปกของวารสาร และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้รับอนุญาตจากสิทธิบัตร
โพลีเมอไรเซชันสองโฟตอนด้วยเลเซอร์ Femtosecond มีความละเอียดในการประมวลผลระดับนาโนและความสามารถในการประดิษฐ์สามมิติ แต่กลยุทธ์การประมวลผลแบบดั้งเดิมในการพิมพ์เครือข่ายหลอดเลือดขนาดเล็กนั้นไม่มีประสิทธิภาพ จากงานก่อนหน้านี้ กลุ่มนี้ได้เสนอวิธีการมอดูเลตเฟสเฉพาะที่โดยใช้ลำแสง Bessel รูปวงแหวน เพื่อสร้างสนามแสงที่มีรอยบากรูปวงแหวน และใช้ไฟวงแหวนที่มีรอยบากที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเพื่อเผยให้เห็นภายในตัวรับแสงเพื่อให้ตระหนักถึงประสิทธิภาพ การประมวลผลเครือข่ายไมโครทูบูลที่มีรูปทรงซับซ้อนและไมโครทูบูลที่มีรูพรุนแบบไบโอนิค และความเร็วในการประมวลผลสูงกว่าวิธีการประมวลผลแบบจุดต่อจุดแบบดั้งเดิมถึง 30 เท่า กลุ่มนี้ใช้เครือข่ายไมโครทิวบูลที่มีรูพรุนเป็นโครงค้ำยันเพื่อนำทางเซลล์บุผนังหลอดเลือดให้เติบโตชิดกับผนัง โดยตระหนักถึงการสร้างเครือข่ายไมโครทูบูลที่ซับซ้อนพร้อมสัณฐานวิทยาที่กำหนดได้ และงานนี้จะเป็นเวทีสำหรับงานวิจัยในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การคัดกรองยา และสรีรวิทยาของหลอดเลือด Bowen Song นักศึกษาปริญญาโท, Shengying Fan นักศึกษาปริญญาเอก และ Chaowei Wang นักวิจัยหลังปริญญาเอก เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของบทความนี้ และ Jiawen Li เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กลุ่มของ Li ได้สำรวจการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond ในสาขาชีวการแพทย์อย่างกระตือรือร้น และมีความก้าวหน้าในวิธีการเตรียมหุ่นยนต์ไมโครนาโน หุ่นยนต์ไมโครนาโนแสดงให้เห็นโอกาสในการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในสาขาชีวการแพทย์ เพื่อให้ทราบถึงการเตรียมการจำนวนมากและการขนส่งไมโครหุ่นยนต์ที่ควบคุมได้ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน กลุ่มนี้ได้เสนอวิธีการเตรียมที่มีประสิทธิภาพสำหรับหุ่นยนต์ไมโครเฮลิคอลที่ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม โดยอาศัยสนามแสงโฮโลแกรมไดนามิกแบบหมุน ซึ่งสามารถประมวลผลไฮโดรเจลไมโครจำนวนหลายพันตัว -หุ่นยนต์เฮลิคอลภายใน 0.5 ชม. หุ่นยนต์ตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการปรับตัวอันชาญฉลาดของสัณฐานวิทยาของตัวเองภายใต้การควบคุมของ pH จากนั้นโหมดการเคลื่อนไหวต่างๆ จะเกิดขึ้นภายใต้การขับเคลื่อนของสนามแม่เหล็ก ทำให้ทราบถึงการขนส่งยาที่จุดคงที่ เพื่อที่จะแก้ปัญหาปริมาณแม่เหล็กต่ำของหุ่นยนต์ไมโครเฮลิคอล แรงผลักดันที่มีน้อย จึงเป็นเรื่องยากที่จะเอาชนะอิทธิพลของอัตราการไหลของสิ่งแวดล้อม กลุ่มนี้ได้เสนอวิธีการขึ้นรูปโพลีเมอไรเซชันสองโฟตอนและการเผาผนึกตามกระบวนการ ในการเตรียมหุ่นยนต์ไมโครขดลวดนิกเกิลบริสุทธิ์ หุ่นยนต์ขดลวดมีปริมาณแม่เหล็กประมาณ 90 wt% ในสนามแม่เหล็กหมุนที่มีความเข้มต่ำจะช่วยเพิ่มแรงบิดแม่เหล็ก ความเร็วสูงสุดถึง 12.5 ความยาวลำตัวต่อวินาที และสามารถขับเคลื่อนได้ น้ำหนักของวัตถุมากกว่าตัวมันเอง 200 เท่า และในการ แรงบิดแม่เหล็กจะถูกเสริมด้วยสนามแม่เหล็กหมุนที่มีกำลังต่ำ
นอกจากนี้ กลุ่มของ Jiawen Li ยังได้สำรวจผลกระทบของโครงสร้างไมโครนาโนต่อพฤติกรรมการเจริญเติบโตของเส้นประสาทโดยอิงจากการประมวลผลสองโฟตอนด้วยเลเซอร์ femtosecond ในความร่วมมือกับ Prof. Guo-Qiang Bi จาก Department of Life Sciences and Medicine และ Associate Prof. Weiping Ding จาก School of Information Science and Technology พวกเขาได้เตรียมอาร์เรย์ของเสาไมโครที่มีลวดลายซึ่งมีระยะห่างและความสูงต่างกันโดยใช้เทคโนโลยีโฟตอนสองโฟตอน femtosecond และพบว่าแอกซอนของเซลล์ประสาทมีแนวโน้มที่จะเติบโตบนเสาไมโครพิลลาร์ที่มีมิติเท่ากัน และพวกมันสามารถกำหนดทิศทางการเจริญเติบโตของเซลล์ประสาทและการก่อตัวของวงจรประสาทโดยการสร้างแถวไมโครปิลลาร์ กลุ่มข้อต่อได้จำลองการเกิดไมอีลิเนชันของแอกซอนโดยการออกแบบและเตรียมโครงสร้างไมโครทูบูลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ความหนา และความยาวของผนังต่างกัน และพบว่าโครงสร้างของไมโครทูบูลสามารถเร่งอัตราการเติบโตของแอกซอนของเซลล์ประสาทได้ (มากกว่า 10 เท่า) นอกจากนี้ กลุ่มร่วมยังได้พ่นฟิล์มแม่เหล็กบาง ๆ ของนิกเกิลและฟิล์มบาง ๆ ของไทเทเนียมที่เข้ากันได้ทางชีวภาพบนพื้นผิวของไมโครทูบูล ซึ่งสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อที่แม่นยำของเซลล์ประสาทภายใต้การควบคุมของสนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อสร้างรูปแบบเฉพาะ วงจรประสาททางชีวภาพ โครงสร้างไมโครนาโนมีความสามารถในการกำหนดทิศทางและเร่งการเติบโตของเซลล์ประสาท ซึ่งจะให้วิธีการและแนวคิดสำหรับการเชื่อมต่อทิศทางของกลุ่มเส้นประสาทที่แยกออกจากกัน การสร้างโครงข่ายประสาทเทียม และการซ่อมแซมความเสียหายของเส้นประสาทอย่างรวดเร็ว