วัสดุที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งมักเรียกว่าวัสดุสี่มิติ (4D) เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อขั้นสูง อย่างไรก็ตาม วัสดุ 4D จำนวนมากบรรจุเซลล์ที่มีความเข้มข้นต่ำเท่านั้น ซึ่งอาจจำกัดการใช้งานในเวชศาสตร์ฟื้นฟู เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ชิคาโกได้พัฒนาระบบวัสดุชีวภาพ 4 มิติ โดยใช้ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้
ทางชีวภาพ
สองประเภท ผลิตเป็นแผ่น วัสดุม้วนงอเป็นท่อเมื่อสัมผัสกับน้ำ ไฮโดรเจลใหม่แต่ละชนิดสามารถรองรับความหนาแน่นของเซลล์ได้สูงถึง 100 ล้านเซลล์/มล. ซึ่งใกล้เคียงกับลำดับความสำคัญที่พบในการพัฒนาและการรักษาเนื้อเยื่อ “การใช้เซลล์ที่มีความหนาแน่นสูงจะเป็นประโยชน์ในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
เนื่องจากสิ่งนี้จะช่วยเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และเซลล์ที่สามารถส่งเสริมการพัฒนาของเนื้อเยื่อ” ผู้เขียนหลักอธิบายในแถลงการณ์ นักวิจัยอธิบายงานของพวกเขา การเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เปิดใช้งานโดยน้ำการพัฒนาเนื้อเยื่อเป็นกระบวนการที่มีไดนามิกสูง กลุ่มของเซลล์ถูกจัดระเบียบผ่านชุด
ของการเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อนจนกระทั่งโครงสร้างเนื้อเยื่อขั้นสุดท้ายก่อตัวขึ้น ดังนั้นจึงอาจเป็นประโยชน์สำหรับโครงร่างที่ออกแบบทางวิศวกรรมของเนื้อเยื่อเพื่อตอบสนองและแม้แต่จำลองการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตที่เกิดขึ้นภายในเนื้อเยื่อในช่วงเวลาเดียวกัน
นี่คือจุดที่วัสดุเปลี่ยนรูปร่างเปล่งประกาย นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าการซ้อนไฮโดรเจลที่มีอัตราการพองตัวต่างกันจะสร้างวัสดุ 4 มิติที่ค่อยๆ เปลี่ยนรูปร่างเมื่อดูดซับน้ำ โดยการควบคุมการกระจายเชิงพื้นที่ของไฮโดรเจลแต่ละอันทั่วทั้งโครงสร้าง ขอบเขตของการพองตัว (และดังนั้นการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง)
จึงสามารถควบคุมได้เมื่อเวลาผ่านไป ขั้นแรก ทีมงานได้ตรวจสอบคุณสมบัติการพองตัวของไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ 2 ชนิด ได้แก่ ออกซิไดซ์และเมทาไครเลตอัลจิเนต (OMA) และเมทาไครเลตเจลาติน (GelMA) พวกเขาไม่เพียงพบว่า OMAs พองตัวมากกว่าเท่านั้น แต่การขยายตัวนั้น
สามารถ
เพิ่มขึ้นได้อีกโดยการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีของมัน ยิ่งระดับของการเกิดออกซิเดชัน OMA สูงเท่าใด อัตราการย่อยสลายก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น และยิ่งขยายตัวมากขึ้นเท่านั้น ต่อจากนั้น นักวิจัยได้จุ่มโครงนั่งร้าน แบบแบนที่มีสองชั้นในอาหารเลี้ยงเซลล์และตรวจสอบการเสียรูปตามมา ตลอดระยะเวลา
21 วัน โครงนั่งร้านแต่ละอันจะโค้งเป็นรูปตัว “C” โดยบางอันเป็นรูปวงกลมปิดหรือแม้แต่ม้วนเป็นเกลียวคล้ายโครงสร้าง ในแต่ละกรณี ชั้น จะกำหนดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยรวม เนื่องจากจะดูดซับน้ำได้เร็วที่สุด ยิ่งไปกว่านั้น ขอบเขตของการดัดผมสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนความหนาของชั้น
หรือเปลี่ยนระดับออกซิเดชั่นวัสดุนี้ยังเข้ากันได้กับเทคนิคต่างๆ ซึ่งช่วยให้ทีมสร้างไฮโดรเจล 4 มิติที่มีรูปทรงเรขาคณิตเริ่มต้นที่ซับซ้อนมากขึ้นและการแปลงรูปร่างผู้เขียนคนแรกกล่าวว่า “การใช้ไฮโดรเจล ของเรา เราสามารถควบคุมปริมาณการดัดงอของวัสดุและความก้าวหน้าทางโลกของมันได้”
การห่อหุ้มเซลล์ที่ทำลายสถิติ เพื่อทดสอบผลกระทบของความหนาแน่นของเซลล์ต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 4 มิติ นักวิจัยได้บรรจุชั้นไฮโดรเจลแต่ละชั้นด้วยเซลล์ไฟโบรบลาสต์หรือเซลล์ต้นกำเนิดที่มีความเข้มข้นต่างกัน วัสดุคงโครงสร้างแบบรีดหลังจากสามสัปดาห์ แม้ในเซลล์ที่มีความหนาแน่นสูงมาก
ก่อนหน้าการศึกษานี้ ความเข้มข้นสูงสุดที่รายงานของเซลล์ที่ห่อหุ้มภายในวัสดุที่เปลี่ยนรูปร่างคือ 1.0 × 10 7เซลล์/มล. ซึ่งต่ำกว่าที่ทีมทำได้ในงานวิจัยนี้ถึง 10 เท่า เซลล์ทั้งสองประเภทยังคงทำงานได้ตลอดระยะเวลา 21 วัน ที่สำคัญสเต็มเซลล์สามารถทำกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ปกติได้
เนื่องจากสามารถส่งลำแสงอ้างอิงไปยังด้านหน้า ด้านหลัง หรือด้านข้างของตัวอย่างได้ ระบบ จึงสามารถทดสอบและศึกษาฟิสิกส์การบันทึกของวัสดุจัดเก็บที่หลากหลาย รวมถึงวัสดุทั้งแบบเขียนครั้งเดียวและแบบลบได้ สื่อบันทึกวัสดุสำหรับการเขียนโฮโลแกรมปริมาตรถาวรโดยทั่วไปเกี่ยวข้อง
กับปฏิกิริยาโฟโตเคมีที่ผันกลับไม่ได้ซึ่งถูกกระตุ้นโดยบริเวณที่สว่างของรูปแบบการรบกวนทางแสง ตัวอย่างเช่น วัสดุโฟโตโพลิเมอร์จะเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันตามการส่องสว่างด้วยแสง: วัสดุจะกระจายจากบริเวณที่มืดกว่าไปยังส่วนที่สว่างกว่า เพื่อให้สายโมโนเมอร์สั้นสามารถจับกัน
เป็นสายโซ่โมเลกุลยาวได้ และในวัสดุที่เรียกว่าเขียนโดยตรงหรือโฟโตโครมิก โมเลกุลที่เปล่งแสงจะผ่านการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ในการดูดกลืนแสงหรือดัชนีการหักเหของแสง ซึ่งขับเคลื่อนโดยโฟโตเคมีหรือการปรับโครงสร้างโมเลกุลด้วยแสง เช่น การสร้างความแตกต่าง นักวิจัยหวังว่าวัสดุนี้สามารถใช้
ของวัสดุ
หักเหแสงมักจะช้ากว่าอัตราการอ่านออกที่ทำได้ 50 เท่า นอกจากนี้ ค่อนข้างยากที่จะลบโฮโลแกรมแต่ละรายการออกจากพื้นที่เก็บข้อมูลขนาดเล็กโดยไม่กระทบกับโฮโลแกรมอื่นๆ ที่ทับซ้อนกัน
ด้วยเหตุนี้ ระบบจัดเก็บโฮโลกราฟิกที่สร้างจากผลึกโฟโตหักเหของแสงจึงไม่ใช่ระบบอ่าน-เขียนแบบ
เดิม แทนที่อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลดังกล่าวจะบันทึกข้อมูลอย่างช้าๆ และในบล็อกขนาดใหญ่ 100-1,000 เมกะไบต์ แต่ก็สามารถให้การเข้าถึงข้อมูลก้อนเล็กๆ ได้อย่างรวดเร็ว บล็อกข้อมูลขนาดใหญ่สามารถลบและแทนที่ได้ตามต้องการ อยู่กับความต้านทานการแผ่รังสีของตัวกลางนั้น
เพื่อแก้ปัญหานี้ เราได้เสนอ และกำลังทดสอบอยู่ – สถาปัตยกรรมใหม่ที่อนุญาตให้มีการผันเฟสและที่เก็บข้อมูลโฮโลกราฟิกแบบมัลติเพล็กซ์อยู่ร่วมกัน เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการแยกขั้นตอนการผันคำกริยาและกระบวนการจัดเก็บโฮโลแกรมออกเป็นสองขั้นตอนต่อเนื่องกันโดยใช้โฮโลแกรม “บัฟเฟอร์”
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
