Ученые создали 3D-печатный волоконный микрозонд для измерения биомеханических свойств тканей in vivo

Ученые из Шэньчжэньского университета разработали компактный волоконно-оптический наномеханический зонд (FONP) для измерения биомеханических свойств тканей и даже одиночных клеток in vivo.

В журнале International Journal of Extreme Manufacturing исследователи описали применение технологии двухфотонной полимеризации, индуцированной фемтосекундным лазером, для создания микрозонда на кончике оптического волокна с ультравысокой механической точностью до 2.1 наноньютона.

Эта высокоточная механическая сенсорная система позволяет измерять биомеханические свойства тканей, одиночных клеток и других мягких биоматериалов in vivo. Разработка может оказать широкое влияние на создание полностью волоконной атомно-силовой микроскопии (AFM) для биомеханических исследований и наноманипуляций.

Профессор Ипин Ван отметил: «Биомеханические свойства различных тканей человеческого тела варьируются в широком диапазоне — на семь порядков величины, от самых мягких клеток до самых жестких костей. Мы разработали гибкую стратегию, позволяющую проектировать и изготавливать микрозонды на кончике волокна с наиболее подходящей постоянной упругости для точного измерения in vivo практически всех тканей человеческого тела».

Проблема традиционной AFM

Атомно-силовая микроскопия — одна из немногих технологий, способных выполнять тонкие биомеханические измерения. Однако настольные системы AFM имеют типичные ограничения по размеру и сложной системе обратной связи. Они также требуют определенной геометрии образцов, что дополнительно ограничивает их применение для измерений in vivo.

Новое поколение волоконной AFM

Доктор Мэнцян Цзоу заявил: «Наша работа реализует новое поколение полностью волоконной AFM с гибкой методологией для достижения оптимальной конструкции микрозонда для каждого теста in vivo, что оказалось надежным и гораздо более миниатюрным».

Группа профессора Чанжуй Ляо, ранее использовавшая технологию двухфотонной полимеризации для создания микродатчиков газа, разработала методику для получения различных микроструктур на кончике волокна. В частности, были созданы микроконсоли с дополнительным топологическим дизайном, позволяющие получать микрозонды с рядом значений постоянной упругости.

Дизайн и возможности

Команда использовала метод конечных элементов и топологическую теорию для оптимизации конструкции микроконсольных зондов. Самый тонкий микрозонд достиг надежной измерительной способности до 2.1 наноньютона.

Профессор Шандор Касас сказал: «Это веха, и это только начало. Мы ожидаем, что эта техника станет мощным инструментом для in vivo биомеханического исследования человеческих тканей и клеток, чтобы лучше понять основы биомеханических изменений, связанных с такими заболеваниями, как рак, а также с критическими процессами в биологии развития».