Wissenschaftler der Universität Shenzhen haben eine kompakte faseroptische nanomechanische Sonde (FONP) entwickelt, mit der biomechanische Eigenschaften von Gewebe und sogar einzelnen Zellen in vivo gemessen werden können.
Die in der Fachzeitschrift International Journal of Extreme Manufacturing veröffentlichten Ergebnisse der Forscher von der Universität Shenzhen basieren auf der Femtosekundenlaser-induzierten Zwei- Photonen-Polymerisationstechnologie zur Herstellung einer Faserspitzen-Mikrosonde mit einer ultrahohen mechanischen Präzision von bis zu 2,1 Nanonewton.
Dieses hochpräzise mechanische Sensorsystem ermöglicht die Messung der biomechanischen Eigenschaften von Gewebe, einzelnen Zellen und anderen Arten von weichen Biomaterialien in vivo. Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die künftige Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie mit allen Fasern für biomechanische Tests und Nanomanipulation haben.
Einer der leitenden Forscher, Professor Yiping Wang, kommentierte: "Die biomechanischen Eigenschaften der verschiedenen Gewebe im menschlichen Körper reichen mit sieben Größenordnungen weit auseinander, von den weichsten Zellen bis zu den steifsten Knochen. Wir haben eine flexible Strategie entwickelt, mit der wir Faserspitzen-Mikrosonden mit der am besten angepassten Federkonstante für die genaue biomechanische In-vivo-Messung von fast allen Geweben im menschlichen Körper entwerfen und herstellen können."
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine der wenigen Technologien, die empfindliche biomechanische Messungen durchführen können. Allerdings gibt es typische Beschränkungen für ein Tisch-AFM-System durch seine Größe und sein komplexes Rückkopplungssystem. Außerdem erfordert es eine bestimmte Geometrie der zu messenden Proben, was seine Anwendung bei biomechanischen Messungen in vivo weiter einschränkt.
Erstautor Dr. Mengqiang Zou erklärte: "Mit unserer Arbeit haben wir eine neue Generation von Ganzfaser-AFM mit einer flexiblen Methodik entwickelt, um das beste Design der Faserspitzen-Mikrosonde für jeden In-vivo-Test zu erreichen, das sich als zuverlässig und auch viel kleiner erwiesen hat."
Professor Changrui Liao leistete Pionierarbeit bei der Herstellung von Mikrobauteilen aus Faserspitzen mit Hilfe der Femtosekundenlaser-induzierten Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie für die Gassensorik. Hier hat seine Gruppe die Technologie entwickelt, um verschiedene Faserspitzen-Mikrostrukturen zu erreichen, insbesondere in Form von Mikrokipphebeln mit zusätzlichem topologischen Design, um Mikrosonden mit einer Reihe von Federkonstanten zu erhalten.
Diese Entwicklung ermöglicht es dem "Ganzfaser-AFM", ein Werkzeug der nächsten Generation für die Grundlagenforschung zu werden, das die biomechanische Messung verschiedener Gewebetypen in vivo ermöglicht.
Das Team setzte die Finite-Elemente-Methode und die topologische Theorie ein, um das Design der Mikrokantsonden mit Faserspitzen zu optimieren. Die feinste Mikrosonde konnte eine zuverlässige Messkapazität von bis zu 2,1 Nanonewton erreichen.
Professor Sandor Kasas sagte: "Dies ist ein Meilenstein und erst der Anfang. Wir gehen davon aus, dass sich diese Technik zu einem leistungsfähigen Instrument für die biomechanische In-vivo-Untersuchung von menschlichem Gewebe und Zellen entwickeln wird, um die Grundlagen biomechanischer Veränderungen im Zusammenhang mit Krankheiten wie Krebs und auch die kritischen Prozesse in der Entwicklungsbiologie besser zu verstehen."
