Recentemente, il gruppo del Professore Associato Li Jiawen del Laboratorio di Micro e Nano Ingegneria, Scuola di Ingegneria, Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) ha proposto un metodo di elaborazione olografica dinamica con laser a femtosecondi per la costruzione efficiente di scaffold capillari 3D, che possono essere utilizzato per generare reti capillari 3D. Il lavoro è stato pubblicato come "Costruzione rapida di reti capillari biomimetiche 3D con morfologia complessa utilizzando l'elaborazione olografica dinamica. Il lavoro è stato pubblicato su Advanced Functional Materials con il titolo di "Costruzione rapida di reti capillari biomimetiche 3D con morfologia complessa utilizzando l'elaborazione olografica dinamica" ed è stato selezionato come articolo di copertina della rivista e la relativa tecnologia è stata autorizzata da un brevetto.
La polimerizzazione a due fotoni con laser a femtosecondi ha una risoluzione di elaborazione su scala nanometrica e capacità di fabbricazione tridimensionale, ma la strategia di elaborazione tradizionale per stampare le reti microvascolari è inefficiente. Sulla base del lavoro precedente, il gruppo propone un metodo di modulazione di fase locale basato sul fascio di Bessel a forma di anello per generare un campo di luce dentellato a forma di anello e utilizza la luce a forma di anello dentellato che cambia rapidamente per esporre all'interno del fotoresist, realizzando la lavorazione ad alta efficienza della rete di microtubuli biforcati di forma complessa e dei microtubuli porosi bionici e la velocità di lavorazione è oltre 30 volte superiore a quella del tradizionale metodo di lavorazione punto per punto. Il gruppo ha utilizzato la rete di microtubuli porosi come impalcatura per guidare le cellule endoteliali a crescere contro la parete, realizzando la costruzione di complesse reti microvascolari con morfologia definibile, e questo lavoro fornirà una piattaforma per il lavoro di ricerca nei campi dell'ingegneria tissutale, dello screening farmacologico e fisiologia vascolare. Bowen Song, uno studente del master, Shengying Fan, uno studente di dottorato, e Chaowei Wang, un ricercatore post-dottorato, sono i co-primi autori dell'articolo, e Jiawen Li è l'autore corrispondente.
Figura Metodo di costruzione efficiente della rete microvascolare: (a) Schema dell'elaborazione olografica dinamica efficiente; (b) microtubuli biforcati; (c) Cellule endoteliali sulla superficie dei microtubuli
Negli ultimi anni, il gruppo di Jiawen Li ha esplorato attivamente l'applicazione della tecnologia di elaborazione laser a femtosecondi nel campo biomedico e ha compiuto progressi nel metodo di preparazione dei robot micro-nano. I micro-nano robot mostrano grandi prospettive applicative nel campo della biomedicina. Al fine di realizzare la preparazione di grandi volumi e il trasporto controllabile di micro-robot in ambienti complessi, il gruppo propone un metodo di preparazione efficiente di robot microelicoidali sensibili all'ambiente basato su un campo di luce olografico rotazionalmente dinamico, che può elaborare migliaia di micro-idrogel -robot elicoidali entro 0.5h. Il robot realizza una deformazione adattativa intelligente della propria morfologia sotto la regolazione del pH, che a sua volta genera molteplici modalità di movimento guidate da un campo magnetico e raggiunge il trasporto mirato del farmaco (ACS Nano 2021, 15, 18048; Light: Adv. Manufacturing 2023, 4: 29). Per risolvere il problema del basso contenuto magnetico e della piccola forza motrice dei robot microelicoidali, che sono difficili da superare l'effetto della velocità del flusso ambientale, il gruppo ha proposto un processo basato sulla polimerizzazione a due fotoni, formando e metodo di sinterizzazione per preparare puri micro-robot elicoidali in nichel, che hanno un contenuto magnetico di circa il 90% in peso, coppia magnetica potenziata sotto un campo magnetico rotante a bassa intensità, con una velocità massima di 12,5 lunghezze corporee al secondo e la capacità di spingere un oggetto 200 volte più pesante di stesso e al movimento controllato in un fluido (Lab Chip, 2024, DOI: 10.1039/d3lc01084h).
Fig. Robot micro-nano a spirale: (a) proprietà efficienti di preparazione e risposta ambientale dei robot micro-nano idrogel; (b) i robot metallici micro-nano possono superare l’effetto della velocità del flusso.
Inoltre, il gruppo di Jiawen Li ha esplorato l'effetto delle micro-nanostrutture sul comportamento di crescita neuronale basato sulla tecnologia di elaborazione a due fotoni del laser a femtosecondi. In collaborazione con il Prof. Guo-Qiang Bi del Dipartimento di Scienze della Vita e Medicina e il Prof. Associato Weiping Ding della Scuola di Scienza e Tecnologia dell'Informazione, hanno utilizzato la tecnologia a due fotoni al femtosecondo per preparare matrici di micropilastri modellati con diverse spaziature e altezze , e hanno scoperto che gli assoni neuronali tendevano a crescere su micropilastri isometrici e che i neuroni potevano essere guidati verso la crescita direzionale e i circuiti neurali costruendo le file di micropilastri (Adv. Healthcare Mater. 2021, 10, 2100094). Ispirandosi alla mielinizzazione assonale, il gruppo congiunto ha progettato e preparato strutture di microtubuli con diversi diametri, spessori di parete e lunghezze per imitare la mielinizzazione assonale e ha scoperto che le strutture di microtubuli erano in grado di accelerare il tasso di crescita degli assoni neuronali (più di 10 volte). Inoltre, il gruppo congiunto ha spruzzato magneticamente sulla superficie dei microtubuli una sottile pellicola magnetica di nichel e una sottile pellicola biocompatibile di titanio, che può essere utilizzata per la connessione precisa dei neuroni sotto la manipolazione di un campo magnetico esterno per formare specifici biologici circuiti neurali (Nano Lett., 2022, 22: 8991). Le micro-nanostrutture sono in grado di realizzare la crescita direzionale e la crescita accelerata dei neuroni, che forniranno metodi e idee per la connessione direzionale di gruppi nervosi isolati, la costruzione di reti neurali e la rapida riparazione dei danni ai nervi.
Fig. Effetto della micro-nanostruttura sulla crescita degli assoni neuronali: (a) gli assoni neuronali crescono lungo i micro-pilastri della stessa altezza in modo direzionale; (b) i microtubuli porosi accelerano la crescita degli assoni neuronali e possono realizzare connessioni direzionali dei neuroni.
Il lavoro di ricerca di cui sopra è stato sostenuto dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali, dal programma chiave di ricerca e sviluppo del Ministero della scienza e della tecnologia e dal grande progetto di ricerca scientifica e tecnologica della provincia di Anhui.
