組織工程的目的是構(gòu)建具有生理功能的組織和器官，用于修復人體的疾病和缺損。由于體外構(gòu)建的組織缺乏與之相適應(yīng)的血液供應(yīng)系統(tǒng)，只有皮膚、軟骨和骨組織工程產(chǎn)品應(yīng)用于臨床。科學家已經(jīng)成功打印出人工心臟、肝臟、肺、腎等組織器官，但人工微血管網(wǎng)絡(luò)尤其是毛細血管網(wǎng)絡(luò)（管徑為 6~9μm）打印始終是組織工程中一個難題和瓶頸。近日，中國科學技術(shù)大學工程科學學院微納米工程實驗室李家文副教授課題組提出適用于三維毛細血管支架高效構(gòu)建的飛秒激光動態(tài)全息加工方法，用于產(chǎn)生三維毛細血管網(wǎng)絡(luò)。該工作以“Rapid Construction of 3D Biomimetic Capillary Networks with Complex Morphology Using Dynamic Holographic Processing ”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials，并被選為期刊封面論文，相關(guān)技術(shù)獲專利授權(quán)（ZL202110554757.5）。

飛秒激光雙光子聚合具有納米級加工分辨率和三維制造能力，但傳統(tǒng)加工策略打印微血管網(wǎng)絡(luò)效率低。課題組在前期工作（Appl. Phys. Lett. 2014,105 (4), 041110 ; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 36369; ACS Nano 2020, 14 (5): 5233; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2106917）基礎(chǔ)上，提出基于局部相位調(diào)制方法，在環(huán)形貝塞爾光束的基礎(chǔ)上生成了環(huán)形缺口光場，利用快速變化的缺口環(huán)形光在光刻膠內(nèi)曝光，實現(xiàn)了復雜形貌分岔微管網(wǎng)絡(luò)和仿生多孔微管的高效加工，加工速度比傳統(tǒng)的逐點加工方法提高30倍以上。課題組以多孔微管網(wǎng)絡(luò)為支架引導內(nèi)皮細胞貼壁生長，實現(xiàn)了形貌可定義的復雜微血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，此工作將為組織工程、藥物篩選和血管生理學等領(lǐng)域的研究工作提供平臺。工程科學學院碩士生宋博文、博士生范勝穎、博士后汪超煒為論文共同第一作者，李家文為通訊作者。

圖1.微血管網(wǎng)絡(luò)高效構(gòu)建方法：（a）動態(tài)全息高效加工示意圖；（b）分叉微管；（c）微管表面上的內(nèi)皮細胞

近年來，李家文課題組積極探索飛秒激光加工技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用，已在微納機器人制備方法上取得進展。微納機器人在生物醫(yī)學領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)微機器人在復雜環(huán)境中的大批量制備和可控運輸，課題組提出了一種基于旋轉(zhuǎn)動態(tài)全息光場的環(huán)境響應(yīng)性微螺旋機器人的高效制備方法，可以在0.5h內(nèi)加工出上千個水凝膠微螺旋機器人。該機器人在pH的調(diào)控下實現(xiàn)自身形貌的智能自適應(yīng)變形，進而在磁場驅(qū)動下發(fā)生多種運動模態(tài)，實現(xiàn)了藥物的定點運輸（ACS Nano 2021, 15, 18048; Light: Adv. Manufacturing 2023,4:29）。為解決微螺旋機器人磁含量低、驅(qū)動力小，難以克服環(huán)境流速影響，課題組提出一種基于雙光子聚合成形和燒結(jié)法工藝制備純鎳螺旋微型機器人，該螺旋機器人磁性含量約為90wt%，在低強度旋轉(zhuǎn)磁場下增強了磁轉(zhuǎn)矩，最大速度每秒達12.5體長，且能推動比自身重200倍物體，并在流體中保持受控運動（Lab Chip，2024，DOI: 10.1039/d3lc01084h）。

圖2.微納螺旋機器人：（a）水凝膠微納機器人的高效制備及環(huán)境響應(yīng)特性；（b）微納金屬機器人能夠克服流速影響。