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双光子光降解水凝胶允许研究者在时间和空间尺度上精确控制细胞行为,在组织工程、类器官培养等领域受到越来越多的关注。目前制备光降解水凝胶的方法主要是将光裂解发色团嵌入到水凝胶网络中,即在光裂解发色团上修饰两个反应性基团 ——一个用于连接到聚合物链端(如:PEG),另一个为可聚合基团 (如:丙烯酸酯或叠氮)用于后续的交联反应。目前已报道的光降解发色团主要局限于邻硝基苯醚和香豆素,但由于其双光子吸收截面小,双光子光降解水凝胶仍局限在低速图案化。迄今为止,用于快速双光子减法生物制造的水凝胶生物材料鲜有报道。 瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)秦晓华研究团队联合广东工业大学李治全教授等合作者,利用Passerini 多组分反应成功地将具有较大双光子吸收截面的长共轭香豆素发色团成功引入到水凝胶网络中,其在780 nm 双光子激光下的降解效率远高于邻硝基苯醚对照组,最高打印速度达到300 毫米每秒,最低激光功率降至10毫瓦,从而大幅提高了纳米尺度加工效率及细胞相容性。
图1:利用多组分反应合成高效光降解水凝胶体系 该研究中,作者使用商用双光子纳米光刻机探究了不同实验组的打印性能,结果表明,长共轭香豆素基水凝胶表现出最优异的性能,其在300 mm/s的打印速度和10 mW的激光强度下可以发生裂解,形成既定的复杂图案。此外,作者成功验证了该香豆素基水凝胶支持复杂仿生微流控网络结构的打印。 图2:不同水凝胶体系的双光子光降解性能比较:邻硝基苯(PEG-NB-A),香豆素(PEG-C-A)及长共轭香豆素 (PEG-LC-A) 图3:快速双光子水凝胶用于高精度减法生物制造过程 (定向细胞迁移) 最后,作者通过在细胞簇周围打印微通道验证了报道的香豆素基水凝胶可以定向诱导细胞的快速迁移。该新型光降解水凝胶材料有望在双光子高精度减法生物制造及复杂组织工程等领域找到新的应用,进而促进前沿再生医学技术的发展。 论文信息 Coumarin-Based Photodegradable Hydrogels Enable Two-Photon Subtractive Biofabrication at 300 mm s−1 This article relates to: Wanwan Qiu, Christian Gehre, Jaime Pietrantuono Nepomuceno, Dr. Yinyin Bao, Prof. Dr. Zhiquan Li, Prof. Dr. Ralph Müller, Prof. Dr. Xiao-Hua Qin 文章的第一作者是苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)博士生邱婉婉。通讯作者是ETH Zurich健康科学技术系秦晓华助理教授。其他作者包括博士生Christian Gehre,Ralph Müller教授,ETH Zurich化学工程系鲍寅寅研究员,及广东工业大学李治全教授 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202404599
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