光纤助力光制造：FaSt-Light开启原位生物制造新时代

研究背景 

光基生物制造技术在组织工程和再生医学领域发展迅速，其中结构化光投影技术可实现复杂三维结构的高精度、快速制造。然而，目前生物制造过程大多局限于台式设备，在制造地点的灵活性上存在不足，且现有原位光交联方法难以精确控制材料的微观和宏观结构。基于此，研究人员提出将投影设备与图像导光纤维束相结合的设想，期望为原位生物制造带来新突破。

研究内容

光基生物制造技术彻底改变了组织工程和再生医学领域。具体而言，结构化光投影技术能够在宏观和微观尺度上控制光的空间分布，从而实现高分辨率、快速地精确制造复杂的三维结构。然而，尽管取得了巨大进展，生物制造过程大多仍局限于台式设备，这限制了制造地点的灵活性。在此，瑞士苏黎世联邦理工学院Zenobi-Wong教授团队展示了一种用于光树脂快速原位交联的光纤辅助结构化光（FaSt-Light）投影装置。该方法使用图像导光纤维束，能够投射多个波长的定制图像，实现了对不同光引发系统、交联化学以及制造位置的灵活空间控制。研究展示了通过耦合不同尺寸的纤维和连接在纤维上的不同透镜，投射小（几毫米）或大（几厘米）的图像来进行材料交联的过程。FaSt-Light技术能够控制交联树脂的横截面，并引入微丝，这些微丝可进一步引导细胞浸润、分化以及各向异性基质的生成。所提出的方法能够催生出一系列新的原位生物制造技术，提升光制造组织和移植物的转化潜力。 相关研究以“Structured Light Projection Using Image Guide Fibers for In Situ Photo-biofabrication”为题发表在Advanced Materials期刊上。

 研究亮点

1. 开发了一种基于图像导光纤维束的光纤辅助结构化光（FaSt-Light）投影装置，可实现多波长图像投影，为原位光生物制造提供了新途径，突破了传统生物制造设备的局限性。

2. 该装置可用于制造多种组织工程构建体和生物材料移植物，促进细胞的引导和浸润，在肌肉修复、伤口愈合、周围神经损伤修复等再生医学领域展现出巨大的应用潜力。

3. 系统研究了不同光纤类型、投影距离、镜头以及光引发体系等对交联树脂结构和性能的影响，为进一步优化装置和拓展应用提供了理论依据。 

研究内容

 1. FaSt-Light装置的构建与原理：该装置由光源、数字微镜器件（DMD）、一组伸缩透镜和图像导光纤维束组成。通过DMD控制不同波长的光，经光纤束投射到光树脂上，实现对交联树脂横截面的宏观控制；同时，利用激光散斑与光树脂相互作用产生的光学调制不稳定性，实现微尺度上的微丝引入。 

2. 装置性能测试与优化：使用5% w/v的明胶甲基丙烯酰（GelMA）作为基础材料，结合三种不同的光引发机制，对装置进行测试。研究发现，不同波长下的光引发体系对交联树脂的分辨率、微丝直径、弹性模量等性能有显著影响。通过比较，确定了LAP引发体系在分辨率等方面具有优势，适用于后续实验。此外，还研究了不同包层厚度、纤维束尺寸以及镜头对投影图像的影响，发现C - mount镜头可在较大距离下保持图像保真度。

3. 生物制造应用研究： 

肌肉组织构建：将C2C12成肌细胞封装在含LAP的GelMA树脂中，利用装置在10mm长的比色皿中成功制造出肌肉组织构建体，构建体中形成了多核肌管，且不同区域的肌管直径和密度无明显差异。     

细胞浸润研究：通过体外实验和大鼠尸体体内实验，证明了微丝化的生物材料移植物可有效引导细胞浸润，为肌肉骨骼缺陷的再生提供了新的思路。    

多材料打印：利用装置的多波长投影功能，通过控制不同波长的光实现了对不同材料的选择性交联，成功打印出多材料构建体，展示了该装置在复杂组织工程构建中的应用潜力。 

4. 未来展望与讨论：尽管该装置取得了一定进展，但仍面临一些挑战，如进一步优化镜头以实现更远距离的高保真投影、探索更适合的光引发剂和树脂体系、实现3D生物制造等。未来可通过与兽医外科医生合作，利用内窥镜设备在更深的器官中进行原位生物制造研究，还可将该系统与机器人技术和深度学习相结合，提高其在体内应用的准确性和可操作性。