全息调制结构光场高效制备毛细血管支架及功能化研究

The construction of artificial capillary vessel scaffolds is of great significance for the study of biological tissue engineering. However, it is still a challenge and a problem to realize the high-efficiency processing of high-precision and small size (a few microns in diameter) capillary vessel scaffolds. For existing technologies, it is impossible to guarantee the processing precision and the processing efficiency at the same time. Furtherly, it is difficult to realize the control of the size and the topography of the capillary vessel scaffolds. The controllable processing of the local micro/nano structures of the capillary vessel scaffolds is also a problem. This program intends to utilize the spatial light modulation technique to modulate Gaussian femtosecond laser beam into two-dimensional or three-dimensional structured light. Instead of the conventional single-focus low-efficiency direct writing method, the controllable structured light is adopted for the scanning of capillary vessel scaffolds, which is a new type of high-precision, high-efficiency and controllable fabrication technology. The vascularization of capillary vessel scaffolds will also be verified. The research contents include: the generation and regulation of a variety of regular and uniform closed-loop structured light by spatial light modulation and the theoretical model construction of the propagation and focusing characteristics of structured light; the high precision and efficiency capillary vessel scaffolds fabrication technology with structured light; the design and fabrication of complex capillary vessel scaffolds and verification of their application in single cell and tissue research. The project will provide a systematic new method for the fabrication of capillary vessel scaffolds and provide the technical basis for single cell and tissue engineering research.

构建人工毛细血管支架结构对生物组织工程研究具有重大意义，然而如何实现高精度小尺寸（直径数微米）毛细血管支架的高效加工仍然是一个难点和挑战。针对现有技术无法同时保证加工精度和加工效率；难以实现对血管支架尺寸、形貌的控制以及血管局部微纳结构的可控加工问题，本项目拟利用全息光场调制技术，将高斯飞秒激光束调制成二维或三维结构光场，利用可控结构光场扫描来代替传统单焦点低效率直写加工，发展一种新型高精度、高效率、可控的复杂毛细血管支架制备技术并进行血管化验证。研究内容包括：利用全息光场调制技术实现各种规则、均匀分布的闭环结构光场的生成和调控，建立结构光场传播和聚焦特性的理论模型；研究基于结构光场的毛细血管支架激光高精度高效加工工艺；实现复杂毛细血管支架结构设计和加工，并验证其在单细胞和组织研究中的应用。本项目将为毛细血管支架的加工提供一套系统的新方法，为单细胞和组织工程研究等提供技术基础。

构建人工毛细血管支架结构对生物组织工程研究具有重大意义，然而如何实现高精度小尺寸微管道支架的高效加工仍然是一个难点和挑战。针对现有技术无法同时保证加工精度和加工效率；难以实现对微管道尺寸、形貌的控制以及微管道局部微纳结构的可控加工问题，本项目利用全息光场调制技术，发展一种新型高精度、高效率、可控的复杂微管道结构制备技术。主要研究了以下内容：.利用调制的涡旋光束扫描加工出磁驱空心微螺旋机器人，大大提高了加工效率，其中非对称的锥管微螺旋机器人展现出更快的泳动速度。得益于空心内腔与功能化表面，利用锥管微螺旋机器人同时实现了纳米粒子与微米神经干细胞的装载、运输与释放。.利用调制生成的马修光束，结合动态拉伸扫描策略制备出三维微笼结构，改变结构光场的特征参数，可以得到不同截面的带缝管道。利用制备出的三维微笼实现对 SiO2粒子的有效捕获和筛选，以及对酵母菌的有效捕获和培养，观察了其生长及分裂过程。.利用调制的涡旋光束单次曝光加工出磁性管状微机器人，通过外加磁场，管状微机器人被精确的遥控驱动，实现了SiO2粒子的捕获、定向运输和释放。此外，通过将 Hela 细胞和阿霉素药物颗粒靶向输送到定制的二维微孔阵列中，验证了阿霉素对单个细胞的治疗效果。.利用调制的贝塞尔光束，在微流控芯片内部集成了pH 响应水凝胶微柱，通过调节通道内流体的 pH 值实现微结构阵列间距的精确控制。从而可以在无需外接设备的情况下实现了多粒子的过滤分离、单粒子/多粒子的完全捕获和多细胞的完全捕获。.利用调制生成的多焦点光场，与飞秒激光双光子还原技术相结合，实现了任意银纳米线图案阵列的快速加工。多焦点的数量、分布以及焦点之间的距离可以灵活控制。通过控制计算全息图的灰度值实现了相同能量分布与不同能量分布的双焦点，用于高效并行加工微加热器， 并进行了微加热器的温度场表征。.本项目将为微管道结构的加工提供一套系统的新方法，为毛细血管支架的加工奠定了理论和技术基础，拓展了微管道结构在单细胞和组织工程研究领域的应用。