研究背景 

光基生物制造技術在組織工程和再生醫學領域發展迅速，其中結構化光投影技術可實現復雜三維結構的高精度、快速制造。然而，目前生物制造過程大多局限于臺式設備，在制造地點的靈活性上存在不足，且現有原位光交聯方法難以精確控制材料的微觀和宏觀結構。基于此，研究人員提出將投影設備與圖像導光纖維束相結合的設想，期望為原位生物制造帶來新突破。

研究內容

光基生物制造技術徹底改變了組織工程和再生醫學領域。具體而言，結構化光投影技術能夠在宏觀和微觀尺度上控制光的空間分布，從而實現高分辨率、快速地精確制造復雜的三維結構。然而，盡管取得了巨大進展，生物制造過程大多仍局限于臺式設備，這限制了制造地點的靈活性。在此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Zenobi-Wong教授團隊展示了一種用于光樹脂快速原位交聯的光纖輔助結構化光（FaSt-Light）投影裝置。該方法使用圖像導光纖維束，能夠投射多個波長的定制圖像，實現了對不同光引發系統、交聯化學以及制造位置的靈活空間控制。研究展示了通過耦合不同尺寸的纖維和連接在纖維上的不同透鏡，投射小（幾毫米）或大（幾厘米）的圖像來進行材料交聯的過程。FaSt-Light技術能夠控制交聯樹脂的橫截面，并引入微絲，這些微絲可進一步引導細胞浸潤、分化以及各向異性基質的生成。所提出的方法能夠催生出一系列新的原位生物制造技術，提升光制造組織和移植物的轉化潛力。 相關研究以“Structured Light Projection Using Image Guide Fibers for In Situ Photo-biofabrication”為題發表在Advanced Materials期刊上。

 研究亮點

1. 開發了一種基于圖像導光纖維束的光纖輔助結構化光（FaSt-Light）投影裝置，可實現多波長圖像投影，為原位光生物制造提供了新途徑，突破了傳統生物制造設備的局限性。

2. 該裝置可用于制造多種組織工程構建體和生物材料移植物，促進細胞的引導和浸潤，在肌肉修復、傷口愈合、周圍神經損傷修復等再生醫學領域展現出巨大的應用潛力。

3. 系統研究了不同光纖類型、投影距離、鏡頭以及光引發體系等對交聯樹脂結構和性能的影響，為進一步優化裝置和拓展應用提供了理論依據。 

研究內容

 1. FaSt-Light裝置的構建與原理：該裝置由光源、數字微鏡器件（DMD）、一組伸縮透鏡和圖像導光纖維束組成。通過DMD控制不同波長的光，經光纖束投射到光樹脂上，實現對交聯樹脂橫截面的宏觀控制；同時，利用激光散斑與光樹脂相互作用產生的光學調制不穩定性，實現微尺度上的微絲引入。 

2. 裝置性能測試與優化：使用5% w/v的明膠甲基丙烯酰（GelMA）作為基礎材料，結合三種不同的光引發機制，對裝置進行測試。研究發現，不同波長下的光引發體系對交聯樹脂的分辨率、微絲直徑、彈性模量等性能有顯著影響。通過比較，確定了LAP引發體系在分辨率等方面具有優勢，適用于后續實驗。此外，還研究了不同包層厚度、纖維束尺寸以及鏡頭對投影圖像的影響，發現C - mount鏡頭可在較大距離下保持圖像保真度。

3. 生物制造應用研究： 

肌肉組織構建：將C2C12成肌細胞封裝在含LAP的GelMA樹脂中，利用裝置在10mm長的比色皿中成功制造出肌肉組織構建體，構建體中形成了多核肌管，且不同區域的肌管直徑和密度無明顯差異。     

細胞浸潤研究：通過體外實驗和大鼠尸體體內實驗，證明了微絲化的生物材料移植物可有效引導細胞浸潤，為肌肉骨骼缺陷的再生提供了新的思路。    

多材料打印：利用裝置的多波長投影功能，通過控制不同波長的光實現了對不同材料的選擇性交聯，成功打印出多材料構建體，展示了該裝置在復雜組織工程構建中的應用潛力。 

4. 未來展望與討論：盡管該裝置取得了一定進展，但仍面臨一些挑戰，如進一步優化鏡頭以實現更遠距離的高保真投影、探索更適合的光引發劑和樹脂體系、實現3D生物制造等。未來可通過與獸醫外科醫生合作，利用內窺鏡設備在更深的器官中進行原位生物制造研究，還可將該系統與機器人技術和深度學習相結合，提高其在體內應用的準確性和可操作性。