วัสดุที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งมักเรียกว่าวัสดุสี่มิติ (4D) เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อขั้นสูง อย่างไรก็ตาม วัสดุ 4 มิติจำนวนมากถูกบรรจุด้วยเซลล์ที่มีความเข้มข้นต่ำเท่านั้น ซึ่งอาจจำกัดการใช้ในเวชศาสตร์ฟื้นฟู เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ชิคาโกได้พัฒนาระบบวัสดุชีวภาพ 4 มิติ
โดยใช้ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพสองประเภท
วัสดุที่ผลิตเป็นแผ่นจะม้วนงอเป็นท่อเมื่อโดนน้ำ ไฮโดรเจลใหม่แต่ละชนิดสามารถรองรับความหนาแน่นของเซลล์ได้สูงถึง 100 ล้านเซลล์/มล. ซึ่งใกล้เคียงกับลำดับความสำคัญที่พบในเนื้อเยื่อที่กำลังพัฒนาและการรักษา
“การใช้เซลล์ที่มีความหนาแน่นสูงสามารถเป็นประโยชน์ในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เนื่องจากช่วยเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับเซลล์ ซึ่งสามารถส่งเสริมการพัฒนาเนื้อเยื่อได้” Eben Alsberg หัวหน้าทีมวิจัยกล่าวในการแถลงข่าว นักวิจัยอธิบายงานของพวกเขาในAdvanced Functional Materials
การเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่กระตุ้นด้วยน้ำการพัฒนาเนื้อเยื่อเป็นกระบวนการที่มีพลวัตสูง กลุ่มของเซลล์ถูกจัดระเบียบผ่านชุดของการเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อนจนกระทั่งโครงสร้างเนื้อเยื่อสุดท้ายถูกสร้างขึ้น ดังนั้นจึงอาจเป็นประโยชน์สำหรับโครงนั่งร้านที่ออกแบบโดยเนื้อเยื่อเพื่อตอบสนองต่อและแม้กระทั่งการจำลองการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตที่เกิดขึ้นภายในเนื้อเยื่อในช่วงเวลาเดียวกัน
นี่คือจุดที่วัสดุเปลี่ยนรูปร่างเปล่งประกาย นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าการซ้อนไฮโดรเจลที่มีอัตราการบวมต่างกันจะสร้างวัสดุ 4 มิติที่ค่อยๆ เปลี่ยนรูปร่างเมื่อดูดซับน้ำ โดยการควบคุมการกระจายเชิงพื้นที่ของไฮโดรเจลแต่ละตัวตลอดโครงนั่งร้าน ขอบเขตของการบวม (และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนรูปร่าง) ต่อจากนั้นจึงสามารถควบคุมได้เมื่อเวลาผ่านไป
ขั้นแรก ทีมวิจัยได้ตรวจสอบคุณสมบัติการบวม
ของไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ 2 ชนิด ได้แก่ อัลจิเนตที่ถูกออกซิไดซ์และเมทาคริเลต (OMA) และเมทาคริเลตเจลาติน (GelMA) พวกเขาไม่เพียงแต่พบว่า OMA ขยายตัวมากกว่า GelMA เท่านั้น แต่การขยายตัวของ OMA นั้นสามารถเสริมได้อีกโดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของมัน ยิ่งระดับของการเกิดออกซิเดชันของ OMA สูงขึ้น อัตราการย่อยสลายก็จะยิ่งเร็วขึ้นและขยายตัวมากขึ้น
ต่อไป นักวิจัยได้จุ่มโครงนั่งร้าน OMA/GelMA แบบแบนสองชั้นในสื่อการเพาะเลี้ยงเซลล์ และตรวจสอบการเสียรูปที่ตามมา ตลอดระยะเวลา 21 วัน โครงนั่งร้านแต่ละโครงโค้งเป็นรูปตัว “C” โดยมีบางส่วนที่ก่อตัวเป็นวงกลมปิด หรือแม้แต่โครงสร้างแบบม้วนเป็นเกลียว ในแต่ละกรณี ชั้น OMA กำหนดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยรวมเพราะดูดซับน้ำได้เร็วที่สุด ยิ่งไปกว่านั้น ขอบเขตของการดัดผมสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนความหนาของชั้น OMA หรือเปลี่ยนระดับการเกิดออกซิเดชันของ OMA
วัสดุนี้ยังเข้ากันได้กับเทคนิคต่างๆ เช่น photolithography และ bioprinting ซึ่งทำให้ทีมสามารถสร้างไฮโดรเจล 4 มิติที่มีรูปทรงเริ่มต้นที่ซับซ้อนมากขึ้น และการแปลงรูปร่าง
ผู้เขียนคนแรก Yu Bin Lee กล่าวว่า “การใช้ไฮโดรเจล bilayer ของเราทำให้เราสามารถควบคุมการดัดงอของวัสดุและความก้าวหน้าทางโลกได้มากน้อยเพียงใด
ทีมจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ชิคาโก เพื่อทดสอบผลกระทบของความหนาแน่นของเซลล์ต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 4 มิติ นักวิจัยได้โหลดชั้นไฮโดรเจลแต่ละชั้นด้วยความเข้มข้นที่แตกต่างกันของเซลล์ไฟโบรบลาสต์หรือเซลล์ต้นกำเนิด วัสดุยังคงโครงสร้างการรีดหลังจากผ่านไปสามสัปดาห์ แม้ในความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงมาก (1.0 × 10 8เซลล์/มล.)
ก่อนการศึกษานี้ รายงานความเข้มข้นสูงสุด
ของเซลล์ที่ห่อหุ้มไว้ภายในวัสดุที่เปลี่ยนรูปร่างคือ 1.0 × 10 7เซลล์/มล. ซึ่งต่ำกว่าที่ทีมทำได้ในงานนี้ 10 เท่า เซลล์ทั้งสองชนิดยังคงทำงานได้ตลอดระยะเวลา 21 วัน ที่สำคัญ สเต็มเซลล์สามารถทำกิจกรรมของเซลล์ได้ตามปกติ เช่น การสร้างความแตกต่าง
นักวิจัยหวังว่าวัสดุดังกล่าวจะสามารถนำมาใช้เลียนแบบเนื้อเยื่อเป้าหมายที่มีความเข้มข้นของเซลล์ต่างกันได้ “ระบบนี้ถือเป็นสัญญาสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ แต่อาจใช้เพื่อศึกษากระบวนการทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาในระยะเริ่มต้น” ลีกล่าว
การถ่ายภาพดวงตาเป็นสิ่งที่ท้าทาย คุณสมบัติบิดเบือนแสงของส่วนต่าง ๆ ของดวงตาเช่นเลนส์และกระจกตาลดความละเอียดของภาพ จากนั้นก็มีขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสงที่ต้องพิจารณา ด้วยเทคนิคทั่วไปส่วนใหญ่สำหรับการถ่ายภาพที่เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนโดยใช้แสงมากเกินไปเพื่อความปลอดภัยต่อดวงตา เทคนิคการถ่ายภาพม่านตาในปัจจุบันที่ใช้แสงใกล้อินฟราเรดมีความละเอียดประมาณ 2-3 µm ในขณะที่เซลล์รับแสงแบบแท่งและเซลล์รูปกรวยที่เล็กที่สุดมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 1–3 µm
เพื่อปรับปรุงความละเอียดที่เกินขีดจำกัดของการเลี้ยวเบน และอนุญาตให้เซลล์เหล่านี้สามารถแยกแยะได้ Tam และเพื่อนร่วมงานได้รวมเทคนิคการถ่ายภาพสองแบบ ได้แก่ การส่องสว่างรูม่านตาวงแหวนและการตรวจจับคอนโฟคอลดิสก์แบบซับ-แอร์รี่ นักวิจัยได้ปรับปรุงเทคนิคการถ่ายภาพเรตินาแบบเดิมที่รู้จักกันในชื่อ adaptive optics scan ophthalmoscopy ซึ่งใช้กระจกที่เปลี่ยนรูปได้และวิธีการคำนวณเพื่อแก้ไขความไม่สมบูรณ์ของดวงตาในแบบเรียลไทม์ด้วยการผสมผสานวิธีการทั้งสองนี้
การส่องสว่างรูม่านตาแบบวงแหวนจะสร้างลำแสงกลวง สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงความละเอียดตามขวางทั่วทั้งโมเสกของตัวรับแสง แต่ลดความละเอียดในเชิงลึก อย่างไรก็ตาม นักวิจัยได้ใช้รูเข็มเล็กๆ ที่เรียกว่า sub-Airy disk เพื่อป้องกันแสงที่กลับมาจากดวงตา ซึ่งช่วยให้พวกมันได้ความละเอียดในเชิงลึกกลับคืนมา
“บางคนอาจคิดว่าต้องใช้แสงมากขึ้นเพื่อให้ได้ภาพที่ดีขึ้น แต่เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถปรับปรุงความละเอียดได้ด้วยการบล็อกแสงอย่างมีกลยุทธ์ในสถานที่ต่างๆ ภายในเครื่องมือของเรา” Tam อธิบาย “วิธีการนี้ช่วยลดพลังงานโดยรวมของแสงที่ส่งไปยังดวงตา ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานการถ่ายภาพแบบสด”
Credit : zakopanetours.net ianwalk.com immergentrecords.com imperialvalleyusbc.org inmoportalgalicia.net
