เมื่อเร็วๆ นี้ กลุ่มรองศาสตราจารย์ Li Jiawen ในห้องปฏิบัติการวิศวกรรมไมโครและนาโน คณะวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ได้เสนอวิธีการประมวลผลโฮโลกราฟิกไดนามิกด้วยเลเซอร์ femtosecond เพื่อการสร้างโครงนั่งร้านแบบ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถ ใช้เพื่อสร้างเครือข่ายเส้นเลือดฝอย 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 และใช้แสงรูปวงแหวนที่มีรอยบากที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเพื่อแสดงภายในตัวรับแสง โดยตระหนักว่า การตัดเฉือนที่มีประสิทธิภาพสูงของเครือข่ายไมโครทูบูลที่มีการแยกส่วนรูปร่างที่ซับซ้อนและไมโครทูบูลที่มีรูพรุนแบบไบโอนิค และความเร็วในการตัดเฉือนนั้นสูงกว่าวิธีการตัดเฉือนแบบจุดต่อจุดแบบดั้งเดิมถึง 30 เท่า กลุ่มนี้ใช้เครือข่ายไมโครทิวบูลที่มีรูพรุนเป็นโครงค้ำยันเพื่อนำทางเซลล์บุผนังหลอดเลือดให้เติบโตชิดกับผนัง โดยตระหนักถึงการสร้างเครือข่ายไมโครทูบูลที่ซับซ้อนพร้อมสัณฐานวิทยาที่กำหนดได้ และงานนี้จะเป็นเวทีสำหรับงานวิจัยในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การคัดกรองยา และสรีรวิทยาของหลอดเลือด Bowen Song นักศึกษาปริญญาโท, Shengying Fan นักศึกษาปริญญาเอก และ Chaowei Wang นักวิจัยหลังปริญญาเอก เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของบทความนี้ และ Jiawen Li เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง
รูปที่วิธีการก่อสร้างที่มีประสิทธิภาพของเครือข่าย microvascular: (a) แผนผังของการประมวลผลโฮโลแกรมแบบไดนามิกที่มีประสิทธิภาพ; (b) ไมโครทูบูลที่แยกออกเป็นสองส่วน; (c) เซลล์บุผนังหลอดเลือดบนพื้นผิวของไมโครทูบูล
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กลุ่มของ Jiawen Li ได้สำรวจการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond ในสาขาชีวการแพทย์อย่างแข็งขัน และมีความก้าวหน้าในวิธีการเตรียมหุ่นยนต์ไมโครนาโน หุ่นยนต์ไมโครนาโนแสดงให้เห็นโอกาสในการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในด้านชีวเวชศาสตร์ เพื่อให้ทราบถึงการเตรียมการจำนวนมากและการขนส่งไมโครหุ่นยนต์ที่ควบคุมได้ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน กลุ่มนี้ได้เสนอวิธีการเตรียมที่มีประสิทธิภาพสำหรับหุ่นยนต์ไมโครเฮลิคอลที่ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม โดยอาศัยสนามแสงโฮโลแกรมไดนามิกแบบหมุน ซึ่งสามารถประมวลผลไฮโดรเจลไมโครจำนวนหลายพันตัว -หุ่นยนต์เฮลิคอลภายใน 0.5 ชม. หุ่นยนต์ตระหนักถึงการเปลี่ยนรูปแบบการปรับตัวอันชาญฉลาดของสัณฐานวิทยาของตัวเองภายใต้การควบคุม pH ซึ่งจะสร้างโหมดการเคลื่อนไหวหลายโหมดที่ขับเคลื่อนโดยสนามแม่เหล็ก และบรรลุการขนส่งยาตามเป้าหมาย (ACS Nano 2021, 15, 18048; Light: Adv. Manufacturing 2023, 4: 29) เพื่อที่จะแก้ปัญหาปริมาณแม่เหล็กต่ำและแรงผลักดันเล็กน้อยของหุ่นยนต์ไมโครเฮลิคอล ซึ่งยากต่อการเอาชนะผลกระทบของความเร็วการไหลของสิ่งแวดล้อม กลุ่มนี้ได้เสนอกระบวนการที่ใช้การขึ้นรูปโพลีเมอไรเซชันสองโฟตอนและวิธีการเผาผนึกเพื่อเตรียมสารบริสุทธิ์ ไมโครโรบ็อตนิกเกิลเฮลิคอล ซึ่งมีปริมาณแม่เหล็กประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์น้ำหนัก เพิ่มแรงบิดแม่เหล็กภายใต้สนามแม่เหล็กหมุนที่มีกำลังต่ำ ด้วยความเร็วสูงสุด 12.5 ความยาวลำตัวต่อวินาที และความสามารถในการขับเคลื่อนวัตถุที่หนักกว่า 200 เท่า และเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ในของไหล (Lab Chip, 2024, DOI: 10.1039/d3lc01084h)
มะเดื่อ หุ่นยนต์เกลียวไมโครนาโน: (ก) คุณสมบัติการเตรียมการและการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมที่มีประสิทธิภาพของหุ่นยนต์ไฮโดรเจลไมโครนาโน (b) หุ่นยนต์โลหะไมโครนาโนสามารถเอาชนะผลกระทบของความเร็วการไหลได้
นอกจากนี้ กลุ่มของ Jiawen Li ยังได้สำรวจผลกระทบของโครงสร้างไมโครนาโนต่อพฤติกรรมการเจริญเติบโตของเส้นประสาทที่ใช้เทคโนโลยีการประมวลผลสองโฟตอนด้วยเลเซอร์ 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 พวกเขาใช้เทคโนโลยี femtosecond two-photon เพื่อเตรียมอาร์เรย์ของเสาไมโครที่มีลวดลายซึ่งมีระยะห่างและความสูงต่างกัน และพบว่าแอกซอนของเซลล์ประสาทมีแนวโน้มที่จะเติบโตบนเสาขนาดเล็กที่มีมิติเท่ากัน และเซลล์ประสาทนั้นสามารถนำทางไปสู่การเจริญเติบโตตามทิศทางและวงจรประสาทได้โดยการสร้างแถวไมโครเสา (Adv. Healthcare Mater. 2021, 10, 2100094) กลุ่มข้อต่อได้ออกแบบและเตรียมโครงสร้างไมโครทูบูลด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง ความหนา และความยาวที่แตกต่างกันของผนังแอกซอน โดยได้รับแรงบันดาลใจจากไมอีลิเนชันของแอกซอน และพบว่าโครงสร้างไมโครทูบูลสามารถเร่งอัตราการเติบโตของแอกซอนของเซลล์ประสาทได้ (มากกว่า 10 เท่า) นอกจากนี้ กลุ่มข้อต่อยังได้พ่นฟิล์มแม่เหล็กบาง ๆ ของนิกเกิลและฟิล์มบาง ๆ ของไทเทเนียมที่เข้ากันได้ทางชีวภาพบนพื้นผิวของไมโครทูบูล ซึ่งสามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อเซลล์ประสาทอย่างแม่นยำภายใต้การควบคุมของสนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อสร้างรูปแบบทางชีวภาพที่เฉพาะเจาะจง วงจรประสาท (Nano Lett., 2022, 22: 8991) โครงสร้างไมโครนาโนสามารถรับรู้ถึงการเติบโตแบบมีทิศทางและการเติบโตแบบเร่งของเซลล์ประสาท ซึ่งจะให้วิธีการและแนวคิดสำหรับการเชื่อมต่อทิศทางของกลุ่มเส้นประสาทที่แยกออกจากกัน การสร้างโครงข่ายประสาทเทียม และการซ่อมแซมความเสียหายของเส้นประสาทอย่างรวดเร็ว
รูปที่ ผลของโครงสร้างไมโครนาโนต่อการเจริญเติบโตของแอกซอนของเซลล์ประสาท: (ก) แอกซอนของเซลล์ประสาทเติบโตตามเสาไมโครที่มีความสูงเท่ากันในลักษณะทิศทาง; (b) microtubules ที่มีรูพรุนช่วยเร่งการเติบโตของแอกซอนของเซลล์ประสาทและสามารถรับรู้ถึงการเชื่อมต่อในทิศทางของเซลล์ประสาท
งานวิจัยข้างต้นได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน โครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และโครงการวิจัยหลักวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีประจำมณฑลอานฮุย
