Wissenschaftler erfinden eine 3D-gedruckte Fasermikrosonde zur Messung biomechanischer Eigenschaften von Geweben in vivo

Wissenschaftler der Fasersensorik an der Universität Shenzhen haben eine kompakte faseroptische nanomechanische Sonde (FONP) zur Messung der biomechanischen Eigenschaften von Gewebe und sogar einzelnen Zellen in vivo entwickelt.

Veröffentlichung in der Zeitschrift Internationale Zeitschrift für extreme Fertigungwandten die Forscher der Shenzhen University die laserinduzierte Zwei‐Photonen‐Polymerisationstechnologie im Femtosekundenbereich an, um eine Mikrosonde mit Faserspitze mit ultrahoher mechanischer Präzision bis hinunter zu 2,1 Nanonewton herzustellen.

Dieses hochpräzise mechanische Sensorsystem ermöglicht die Messung biomechanischer Eigenschaften von Gewebe, Einzelzellen und anderen Arten von weichen Biomaterialien in vivo. Die Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung der Vollfaser-Atomkraftmikroskopie für biomechanische Tests und Nanomanipulation haben.

Einer der leitenden Forscher, Professor Yiping Wang, kommentierte: „Die biomechanischen Eigenschaften verschiedener Gewebe im menschlichen Körper reichen mit sieben Größenordnungen von den weichsten Zellen bis zu den steifsten Knochen. Wir haben eine flexible Strategie entwickelt, die Design und die Faserspitzen-Mikrosonden mit der am besten geeigneten Federkonstante für die genaue biomechanische In-vivo-Messung fast aller Gewebe im menschlichen Körper herzustellen.“

Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine der wenigen Technologien, die empfindliche biomechanische Messungen durchführen könnten. Es gibt jedoch typische Beschränkungen von Benchtop-AFM-Systemen in ihrer Größe und ihrem komplexen Rückkopplungssystem. Es erfordert auch eine bestimmte Geometrie der zu messenden Proben, was seine Anwendung bei der biomechanischen Messung in vivo weiter einschränkt.

Der Erstautor Dr. Mengqiang Zou behauptete: „Unsere Arbeit hat eine neue Generation von All-Faser-AFM mit der flexiblen Methodik erreicht, um das beste Design der Mikrosonde mit Faserspitze für jeden In-vivo-Test zu erreichen, das sich als zuverlässig herausstellte und auch viel miniaturisierter.“

Professor Changrui Liao hat Pionierarbeit bei Faserspitzen-Mikrogeräten geleistet, die durch Femtosekundenlaser-induzierte Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie für die Gassensorik hergestellt werden. Hier hat seine Gruppe die Technologie entwickelt, um verschiedene Faserspitzen-Mikrostrukturen zu erreichen, insbesondere in Bezug auf Mikroausleger mit zusätzlichem topologischem Design, um Mikrosonden mit einer Reihe von Federkonstanten zu erreichen.

Diese Entwicklung ermöglicht es, das „Vollfaser-AFM“ zu einem Werkzeug der nächsten Generation für die Grundlagenforschung zu entwickeln, das die biomechanische In-vivo-Messung verschiedener Gewebearten umfasst.

Das Team nutzte die Finite-Elemente-Methode und die topologische Theorie, um das Design von Faserspitzen-Mikrocantilever-Sonden zu optimieren. Die feinste Mikrosonde könnte eine zuverlässige Messleistung bis hinunter zu 2,1 Nanonewton erreichen.

Professor Sandor Kasas sagte: „Dies ist ein Meilenstein und erst der Anfang. Wir gehen davon aus, dass diese Technik zu einem leistungsstarken Werkzeug für die biomechanische In-vivo-Untersuchung von menschlichem Gewebe und Zellen wird, um die Grundlagen biomechanischer Veränderungen im Zusammenhang mit Krankheiten wie z wie Krebs, und auch in den kritischen Prozessen der Entwicklungsbiologie.“