多级微血管网络支架的飞秒激光高效加工方法及其在组织血管化中的应用

Construction of multi-scale microvascular networks remains a big challenge for both tissue engineering and micro/nano-fabrication fields. The holographic femtosecond laser fabrication technology based on the spatial light modulator is a newly developed frontier of the micro/nano-fabrication field. The current approaches for engineering vascularized tissues are limited to large scale,useful materials and simple design of vascular networks. To address these limitations, this project will develop a highly efficient femtosecond laser holographic fabrication method and fabricate the multi-scale hollow microvascular network stent for vascularizing tissues. The main aims are: modeling the relationship between the computing holography and optical field, developing the fabrication platform for different scales of vascular network (at millimeter, micrometer and nanometer resolutions), investigating typical biomaterials and fabricating multi-scale vessel networks, realizing the tissue vascularization. The first innovation of this project is developing a fabrication method with high efficiency and high resolution for multi-scale tissue vascular stent. And the second is realizing the tissue microvascularization using the fabricated stent. This study will not only meet the demand of building multi-scale microvascular network, but also provide a new platform for microvascular tissue engineering. Besides, the processing methods will lay the theoretical and technical basis for the development of a new fabrication technique featuring high efficiency, high resolution and multi-scale capacity.

多级微血管网络的构建是组织工程面临难题之一，也是微纳加工技术面临的挑战。基于空间光调制器的飞秒激光全息加工是一种新兴微纳加工技术。本项目针对目前组织微血管化过程中使用的支架尺度较大、结构简单、可用材料少等问题，发展一种适用于三维多级中空微血管网络支架的飞秒激光全息高效加工方法并进行组织血管化实验验证。研究内容主要有：建立用于微血管网络支架加工的计算全息与空间目标光场之间的关系模型；研究具有毫/微/纳多尺度血管支架高效加工工艺；选择几种典型生物材料，加工出几种具有应用前景的多级微血管网络支架；实现特定组织的血管化。本项目提出基于飞秒激光全息的支架加工方法以及利用具有微纳复合表面结构的多级空心微血管网络支架进行组织微血管网络构建具有新意。本研究将弥补目前组织工程中多级微血管网络构建中微纳加工能力的不足，为组织工程微血管化提供一种新的方法，并为发展高效高分辨多尺度微纳加工方法奠定理论和技术基础。

多级微血管网络的构建是组织工程面临难题之一，也是微纳加工技术面临的挑战。基于空间光调制器的飞秒激光全息加工是一种新兴微纳加工技术。本项目针对目前组织微血管化过程中使用的支架尺度较大、结构简单等问题，发展一种适用于三维多级中空微血管网络支架的飞秒激光全息高效加工方法并进行组织血管化实验验证。本课题构建了DMD-SLM复合光固化系统；系统研究了用于微血管网络支架加工的计算全息与目标光场之间的关系，深入研究了适用于微纳米复合管状支架结构的全息生成方法，完成了环状、C型、环状阵列等光场的生成以及圆管、带孔圆管、带凸起圆管、分叉圆管等复杂结构的快速加工；研究微纳表面结构（包括纳米沟槽、纳米凸起、支架结构）对细胞迁移、增殖和分化等影响；实现了多种形态的仿人体血管支架高效加工，进行了内皮细胞在支架表面结构黏附生长实验，并对成管质量进行了评估。研究工作进展顺利，共计发表SCI论文55篇，申请国家发明专利4项，获得授权1项，完成了各项既定目标。本研究拓展了飞秒激光应用领域，为组织工程微血管化提供一种新的方法。