التقدم المحرز في التطبيقات الطبية الحيوية لتكنولوجيا معالجة الفيمتو ثانية بالليزر في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية (USTC)

الغرض من هندسة الأنسجة هو بناء الأنسجة والأعضاء ذات الوظائف الفسيولوجية لإصلاح الأمراض والعيوب في جسم الإنسان. تم استخدام منتجات هندسة أنسجة الجلد والغضاريف والعظام فقط في التطبيقات السريرية لأن الأنسجة التي تم تصنيعها في المختبر تفتقر إلى نظام إمداد الدم المتوافق. نجح العلماء في طباعة قلوب صناعية وكبد ورئتين وكلى وأنسجة وأعضاء أخرى، لكن طباعة شبكات الأوعية الدموية الدقيقة الاصطناعية، وخاصة الشبكات الشعرية (قطر الأنبوب من 6 إلى 9 ميكرومتر)، كانت دائمًا مشكلة صعبة واختناق في هندسة الأنسجة. .
في الآونة الأخيرة، اقترحت مجموعة البروفيسور المشارك جياوين لي في مختبر الهندسة الدقيقة والنانو، كلية العلوم الهندسية، جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) طريقة معالجة ثلاثية الأبعاد ديناميكية بالليزر الفيمتو ثانية مناسبة للبناء الفعال للسقالات الشعرية ثلاثية الأبعاد لـ توليد شبكات شعرية ثلاثية الأبعاد. تم نشر العمل تحت عنوان "الإنشاء السريع لشبكات الشعيرات الدموية المحاكاة الحيوية ثلاثية الأبعاد ذات التشكل المعقد باستخدام المعالجة الديناميكية المجسمة". تم نشر العمل في مواد وظيفية متقدمة تحت عنوان "الإنشاء السريع لشبكات الشعيرات الدموية المحاكاة الحيوية ثلاثية الأبعاد ذات التشكل المعقد باستخدام المعالجة المجسمة الديناميكية" وكان تم اختيارها كورقة غلاف للمجلة، وتم ترخيص التكنولوجيا ذات الصلة ببراءة اختراع.
تتمتع بلمرة الفيمتو ثانية ليزر ثنائية الفوتون بدقة معالجة نانوية وقدرة تصنيع ثلاثية الأبعاد، لكن استراتيجية المعالجة التقليدية لطباعة شبكات الأوعية الدموية الدقيقة غير فعالة. استنادًا إلى العمل السابق، تقترح المجموعة طريقة تعديل الطور المحلي استنادًا إلى شعاع Bessel على شكل حلقة لتوليد مجال ضوء مسنن على شكل حلقة، ويستخدم الضوء الدائري المسنن سريع التغير للكشف داخل مقاوم الضوء لتحقيق الكفاءة معالجة شبكات الأنابيب الدقيقة المتشعبة ذات الشكل المعقد والأنابيب الدقيقة المسامية الإلكترونية، وسرعة المعالجة أعلى بأكثر من 30 مرة من سرعة المعالجة التقليدية نقطة بنقطة. استخدمت المجموعة شبكة الأنابيب الدقيقة المسامية كسقالة لتوجيه الخلايا البطانية لتنمو على الجدار، محققين بناء شبكات الأوعية الدموية الدقيقة المعقدة ذات شكل محدد، وسيوفر هذا العمل منصة للعمل البحثي في ​​مجالات هندسة الأنسجة وفحص الأدوية. وفسيولوجيا الأوعية الدموية. بوين سونج، طالب الماجستير، وشينجيينج فان، طالب الدكتوراه، وتشاوي وانج، زميل ما بعد الدكتوراه، هم المؤلفون الأوائل للورقة البحثية، وجياوين لي هو المؤلف المقابل.
في السنوات الأخيرة، كانت مجموعة لي تستكشف بنشاط تطبيق تكنولوجيا معالجة ليزر الفيمتو ثانية في مجال الطب الحيوي، وحققت تقدما في طريقة إعداد الروبوتات النانوية الدقيقة. تُظهِر الروبوتات النانوية الدقيقة آفاقًا رائعة للتطبيق في مجال الطب الحيوي. من أجل تحقيق إعداد كبير الحجم ونقل يمكن التحكم فيه للروبوتات الصغيرة في بيئات معقدة، تقترح المجموعة طريقة تحضير فعالة للروبوتات الحلزونية الدقيقة المستجيبة للبيئة تعتمد على مجال الضوء المجسم الديناميكي الدوراني، والذي يمكنه معالجة الآلاف من الهيدروجيل الصغير -روبوتات حلزونية خلال 0.5h. يدرك الروبوت التشوه التكيفي الذكي لمورفولوجيته تحت تنظيم الأس الهيدروجيني، ومن ثم تحدث مجموعة متنوعة من أوضاع الحركة تحت محرك المجال المغناطيسي، مما يحقق نقل الأدوية في نقطة ثابتة. من أجل حل مشكلة المحتوى المغناطيسي المنخفض للروبوتات الحلزونية الدقيقة، والقوة الدافعة صغيرة، ومن الصعب التغلب على تأثير معدل التدفق البيئي، تقترح المجموعة طريقة تشكيل وتلبيد ثنائية الفوتون تعتمد على العملية من إعداد روبوت صغير حلزوني من النيكل النقي، فإن المحتوى المغناطيسي للروبوتات الحلزونية يبلغ حوالي 90٪ بالوزن، في المجال المغناطيسي الدوار منخفض الكثافة يعزز عزم الدوران المغناطيسي، وتبلغ السرعة القصوى ما يصل إلى 12.5 طول الجسم في الثانية، ويمكنه دفع الروبوت. وزن الجسم أكبر من وزنه 200 مرة، وفي عزم الدوران المغناطيسي يتم تعزيزه بواسطة مجال مغناطيسي دوار منخفض القوة.
بالإضافة إلى ذلك، استكشفت مجموعة جياوين لي تأثيرات هياكل النانو الدقيقة على سلوك نمو الخلايا العصبية استنادًا إلى المعالجة ثنائية الفوتون بليزر الفيمتو ثانية. بالتعاون مع البروفيسور Guo-Qiang Bi من قسم علوم الحياة والطب والأستاذ المساعد Weiping Ding من كلية علوم وتكنولوجيا المعلومات، قاموا بإعداد مصفوفات من الأعمدة الدقيقة المزخرفة بمسافات وارتفاعات مختلفة باستخدام تقنية الفيمتو ثانية ثنائية الفوتون، ووجدوا أن المحاور العصبية تميل إلى النمو على أعمدة دقيقة متساوية القياس، وأنها كانت قادرة على توجيه النمو الاتجاهي للخلايا العصبية وتكوين الدوائر العصبية عن طريق بناء صفوف الأعمدة الدقيقة. مستوحاة من الميالين المحوري، قامت المجموعة المشتركة بمحاكاة الميالين المحوري من خلال تصميم وإعداد هياكل الأنابيب الدقيقة بأقطار مختلفة وسمك الجدار والأطوال، ووجدت أن هياكل الأنابيب الدقيقة كانت قادرة على تسريع معدل نمو المحاور العصبية (أكثر من 10 مرات). بالإضافة إلى ذلك، قامت المجموعة المشتركة برش طبقة مغناطيسية رقيقة من النيكل وطبقة رقيقة من التيتانيوم متوافقة حيويًا على سطح الأنابيب الدقيقة، والتي يمكن استخدامها للاتصال الدقيق بين الخلايا العصبية تحت معالجة مجال مغناطيسي خارجي لتشكيل مجال مغناطيسي محدد. الدائرة العصبية البيولوجية. إن الهياكل النانوية الدقيقة قادرة على نمو الخلايا العصبية الاتجاهي والمتسارع، مما سيوفر طرقًا وأفكارًا للاتصال الاتجاهي لمجموعات الأعصاب المعزولة، وبناء الشبكة العصبية، والإصلاح السريع لتلف الأعصاب.