2023-04-03 16:28
来源:
摩方精密发布于：广东省
与活体器官、动物模型以及人体临床试验相比，具有仿生结构的三维组织器官模型在体外手术训练和生物医学设备测试等应用至关重要，因为它们不仅真实地反映了生物体的生物结构、形态和生理微环境，而且具有成本低、符合伦理道德、易于操作等优点。然而，迄今为止体外仿生组织器官模型的制造和应用仍面临许多未解决的挑战。一方面，传统注模技术所制造的器官模型缺乏精准仿制生物器官复杂结构特性的能力。另一方面，目前的器官模型无法精确模拟生物体的理化特性，例如柔韧性、粘弹性以及润湿性等。上述问题表明，目前的组织模拟材料和工程技术难以制造与人体软组织机械特性、理化微环境和仿生结构均匹配的器官模型，这对目前的仿生软组织器官模型仍然是一个很大的挑战。
基于此，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民院士/王晓龙研究员团队在Advanced Functional Materials上发表文章Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness，如图1所示，提出了一种基于共价交联网络和金属配位网络的双交联网络策略来制备刚度可调的弹性水凝胶，其弹性水凝胶的弹性模量（软硬度）可以通过调节水凝胶组分和金属配位键的密度，使其从几千帕到几百千帕之间灵活调控来匹配不同的生物软组织；同时借助数字光处理3D打印技术实现了各种结构复杂、保真度高、机械可调的湿滑水凝胶软组织器官三维结构的一体化成型，且这些水凝胶软组织器官模型具有复杂的内部通道和腔体结构、血管化的组织结构、逼真的解剖结构等。这些机械精确可调的仿生水凝胶软组织器官模型在外科手术训练、医疗设备测试和器官芯片等领域具有潜在的应用前景。
图1 弹性双网络水凝胶的设计及湿滑水凝胶软组织器官模型的制造 如图2所示，利用多种可调刚度的弹性水凝胶来匹配天然软组织的机械特性，并结合数字光处理3D打印技术制造了大脑、支气管、肺、肝脏、心脏、胃、肾脏以及肠等具有高保真度和三维复杂结构的水凝胶组织器官模型。此外，这些水凝胶软组织器官模型具有结构复杂的腔体、可灌注的微通道以及异质结构。 图2 刚度与天然软组织特性相匹配的湿滑水凝胶仿生组织器官模型 如图3所示，3D打印的水凝胶器官模型具有复杂的内部通道和腔体结构，以及更接近于天然心脏器官的外部逼真解剖结构。此外，这些类组织弹性水凝胶还具有可调控的粘弹性，且与各种活组织器官的粘弹性非常相似。 图3 湿滑水凝胶软组织器官模型的解剖细节及粘弹性能 人体组织器官含有许多复杂的血管网络拓扑结构。如图4所示，在弹性水凝胶基质内制造了许多具有可调管状拓扑结构的流体多通道网络结构。此外，在弹性水凝胶中设计和制造了具有曲折的仿生多支叉血管网络和不规则分叉和大小通道的仿生树突状血管网络。 图4 弹性水凝胶基质中制造的流体通道网络和仿生多血管网络结构 由于水凝胶基的湿滑组织器官模型可以重构与天然血管相似的微环境。如图5所示，设计的具有复杂曲折脑动脉和湿滑特性的3D打印水凝胶人脑模型可作为模拟血管内介入治疗的有效仿真平台，其为血管内介入治疗领域解决一些临床和技术挑战开辟创新新型道路。 图5 3D打印湿滑水凝胶仿生器官模型的体外导丝介入演示 相关研究工作目前以“Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者为中国科学院大学博士生刘德胜，通讯作者为中国科学院兰州化学物理研究所特别研究助理蒋盼博士、王晓龙研究员、刘维民院士。 该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划项目等的支持。 原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214885 摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（PμSL）技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。 来源：高分子科学前沿返回搜狐，查看更多
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　　微纳3D打印，更精准更宏观。
　　
飞秒激光直写无机纳米结构的光场分布示意图。 （郑美玲提供）
　　
飞秒激光被用于眼科手术治疗近视，已经为人熟知。
　　
但它能做得远不止于此。飞秒激光直写作为一种有效的三维微纳精细加工技术，可以在多种透明光学材料中实现微小型光子学器件的制备。
　　
中科院理化所仿生智能界面科学中心郑美玲团队在前期工作积累上，近日在不同期刊连发两篇相关成果，推动飞秒激光直写技术再向前一步。
　　
《先进材料技术》：仿生响应型水凝胶微致动器
　　
在以《飞秒激光微加工pH驱动三维仿捕蝇草水凝胶驱动器》为题发表在《先进材料技术》的成果中，该团队合成了刺激响应型光刻胶前驱体，并结合结构设计，采用飞秒激光直写技术制备了4D刺激响应型水凝胶微结构。
　　
水凝胶微致动器在显微操作、微机器人、微流体、智能传感器等领域的应用非常重要。然而，要实现水凝胶微致动器在微纳尺度上的精确制备及可控操纵，仍存在巨大挑战。
　　
作者利用刺激响应型光刻胶，通过优化飞秒激光直写参数及激光加工路径，获得了响应行为可控的4D水凝胶微结构。通过改变激光加工参数来调节水凝胶微结构局部区域的交联密度，从而获得可控的pH响应行为，变形时间短至1.2秒，恢复时间为0.3秒。
　　
在此基础上，受捕蝇草捕获行为的启发，研究人员设计并加工了仿生不对称水凝胶微致动器，通过pH触发，实现和调节了其形状变化，成功地捕获了单个或多个微颗粒，并可控地实现了微颗粒的同时释放或顺次释放。
　　
该成果使智能水凝胶微致动器的制备成为可能。
　　
《自然—通讯》：使用近红外光进行3D无机材料的光刻微加工
　　
另一篇发表于《自然—通讯》的文章《多光子三维光刻实现λ/30无机特征尺寸》，阐述了该团队与合作伙伴在飞秒激光超衍射纳米光刻技术制备3D无机纳米结构研究方面取得的进展。
　　
激光3D打印技术是制备三维无机微结构的重要手段之一，但是在制备无机微结构时，其特征尺寸和加工分辨率受到材料和光学衍射极限的限制，难以实现纳米尺度制备。
　　
该工作中，研究团队利用飞秒激光与物质的非线性相互作用，通过多光子吸收引起的雪崩电离效应，实现了无机光刻胶氢倍半硅氧烷（HSQ）的飞秒激光超衍射纳米光刻，突破了前人提出的HSQ无法使用可见和近红外光进行光刻微加工的局限。
　　
作者系统研究了激光能量、扫描速度和扫描方式等加工参数对特征尺寸的影响规律，通过精细调节激光的加工参数，成功得到了自支撑的33纳米和26纳米HSQ纳米结构，实现了λ/30（激光波长1/30）的特征尺寸，并制备出了具有优异的耐高温和耐溶剂性能的3D无机微结构，构筑了多种基于无机纳米结构的光子学微器件和仿生微结构。
　　
这项工作为基于HSQ微结构的新型无机纳米器件的研究奠定了坚实基础。
　　
《纳米快讯》：实现跨尺度微纳复杂结构的新途径
　　
微纳尺度上的3D打印可以实现任意三维，并且精度很高，但谈到这个技术到目前为止最大的遗憾，郑美玲告诉《中国科学报》，在工业中几乎没有做成过产品，因为这种技术制备大结构器件的效率很低。这也是该团队目前的一个研究方向。
　　
在稍早些由《纳米快讯》发表的成果《无掩模光学投影纳米光刻实现λ/12超分辨率和高效跨尺度结构图案化》中，他们部分解决了这个痛点问题。
　　
郑美玲团队与合作伙伴以波长为400纳米的超快激光作为光源，利用数字微镜芯片（DMD）生成图案化光场，发展了无掩模光学投影超衍射纳米光刻技术，突破光学衍射极限的限制，获得了仅为激光波长1/12（λ/ 12）的32 纳米光刻线宽，高效制备了数百微米尺度与纳米尺度并存的跨尺度微纳结构。
　　
此外，通过计算机控制更改所需的DMD生成图案化光场，便捷实现了多种跨尺度微纳结构图案制备，经过简单重复该过程，还可以实现多样化图形的批量制备。
　　
无掩模光学投影超衍射纳米光刻技术，为跨尺度微纳复杂结构图案化提供了高效、便捷的新技术途径，有望在涉及电子、光学和生物等领域的微纳米器件的研究与开发中得到广泛应用，并实现定制化微纳结构与器件的低成本、高效率、批量制造。期刊审稿人评价该技术为真正开创性的成果。（来源：中国科学报张楠）
　　
相关论文信息：
　　
https://doi.org/10.1002/admt.202200276
　　
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29036-7
　　
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00559
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作者：郑美玲等 来源：《先进材料技术》
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