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生物材料表面特征會(huì)顯著影響細(xì)胞的粘附、擴(kuò)展、增殖、分化等行為， 是影響材料生物相容性的重要因素。常規(guī)材料表面改性方法雖能提高生物活性物質(zhì)的負(fù)載，但是存在工藝復(fù)雜、涂層在體內(nèi)溶解速度快、涂層易斷裂等問題。激光微加工技術(shù)通過在材料表面快速加工出各種微觀結(jié)構(gòu)來改變其表面特征，通過變換微米粗糙度和橫向間距的方法優(yōu)化細(xì)胞的粘附與分化，從而在改變組織細(xì)胞生物特性方面有著重要的作用。與其他表面改性方法相比，激光微加工技術(shù)改性的生物材料表面改性層薄，對基體影響小，克服了現(xiàn)有改性方法的缺點(diǎn)。

Koufaki等利用飛秒激光掃描在單晶硅表面加工出粗糙度比為2.0~5.9的錐形表面微結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)印方法將微結(jié)構(gòu)復(fù)制到聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乳-羥基乙酸(PLGA)和有機(jī)改性陶瓷(ORMOCER)材料表面，如下圖所示。

圖 (a) 利用激光技術(shù)在單晶Si、PDMS、PLGA和ORMOCER表面制備的微結(jié)構(gòu); (b) NIH/3T3活細(xì)胞(綠色)和死細(xì)胞(黃-紅色)在PDMS和PLGA結(jié)構(gòu)表面的熒光顯微圖; (c) PC12活細(xì)胞(綠色)和死細(xì)胞(黃-紅色)在PDMS和PLGA結(jié)構(gòu)表面的熒光顯微圖

在組織工程學(xué)領(lǐng)域，研究細(xì)胞在生物材料表面的生物特性具有重要的意義，生物材料生物學(xué)性能的改進(jìn)和提高， 是當(dāng)代生物醫(yī)用材料發(fā)展的另一個(gè)重點(diǎn)。隨著人們對生物材料表面界面的非特異性作用的不斷了解，越來越多的研究人員認(rèn)識到，只有在更加微觀的尺度上實(shí)現(xiàn)對生物材料表面特異性生物活性作用的精確控制才是從根本上解決生物材料生物相容性的關(guān)鍵。

激光微加工技術(shù)可在生物材料表面產(chǎn)生多種表面結(jié)構(gòu)，如純納米結(jié)構(gòu)、各種尺度的納米、微米結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并可通過進(jìn)一步激光微加工過程產(chǎn)生特有的、復(fù)雜的分層表面形貌。通過變換微米粗糙度、橫向間距和其他微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)即可對細(xì)胞的粘附和分化進(jìn)行優(yōu)化。但是材料表面形貌的變化對細(xì)胞的影響比較復(fù)雜，其作用機(jī)理尚在探索之中，目前相關(guān)研究大部分仍處于實(shí)驗(yàn)室階段， 激光微加工對生物材料表面改性的效果還需要大量體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證。

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是建立在微米、納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，自20世紀(jì)80年代應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)以來，其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品已覆蓋到檢測、診斷、治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)前， MEMS加工技術(shù)主要是利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝對硅基材料進(jìn)行加工的技術(shù)，但由于醫(yī)療用MEMS處理對象的特性與工業(yè)用的情況有很大的差別以及新技術(shù)、新材料在醫(yī)療領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)的硅基加工方法已不太適用于醫(yī)療用MEMS的加工。與傳統(tǒng)的硅基加工技術(shù)相比，激光微加工技術(shù)不僅適用于多種材料，而且能夠加工出具有亞微米精度的3D微型結(jié)構(gòu)， 在醫(yī)療用MEMS的加工中有良好的應(yīng)用前景。

使用高密度微電極陣列來喚起或記錄神經(jīng)活動(dòng)是神經(jīng)假體領(lǐng)域里一項(xiàng)非常復(fù)雜且重要的研究課題。Green等用傳統(tǒng)的PDMS和鉑(Pt)箔材料通過飛秒激光微加工技術(shù)加工出可移植的高密度微電極陣列，結(jié)果表明使用激光微加工方法制取的微電極陣列表面結(jié)構(gòu)一致且粗糙度較好，在陣列中最大電極點(diǎn)厚度約為200 μm。

氮化鋁(AlN)材料在生物環(huán)境里的反應(yīng)性很低， 非常適用于制作生物相容性器件。以藍(lán)寶石為基體材料，在AlN薄膜表面加工出波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，可與微流體系統(tǒng)結(jié)合用于藥物傳送。Safadi等利用準(zhǔn)分子激光微加工技術(shù)在以藍(lán)寶石為基體的AlN薄膜上加工出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與微流體結(jié)合可在神經(jīng)組織的藥物傳送方面發(fā)揮重要作用。

微創(chuàng)外科手術(shù)工具在生物醫(yī)學(xué)診斷和治療過程中扮演重要角色，而在很多微創(chuàng)外科手術(shù)工具中會(huì)涉及導(dǎo)管的使用。相比于傳統(tǒng)的被動(dòng)式導(dǎo)管，主動(dòng)控制尖端式導(dǎo)管能夠達(dá)到更高的精度和效率。Lee等通過激光微加工技術(shù)制備出聚吡咯(PPy)基人工肌肉驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管，并通過二維彎曲運(yùn)動(dòng)展示了所制取的四電極導(dǎo)管的可控性， 如圖所示。通過將微加工制取的主動(dòng)式導(dǎo)管與光學(xué)相干斷層掃描相結(jié)合，使生物組織次表面可視化，證實(shí)使用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的成像能力。

圖 激光微加工制備的PPy基主動(dòng)導(dǎo)管。(a) 四電極導(dǎo)管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)； (b) 激光微加工技術(shù)制備的四電極導(dǎo)管掃描電鏡圖； (c) 導(dǎo)管一端的PPy彎曲運(yùn)動(dòng)

硅晶片是制備生物醫(yī)學(xué)元件常用的生物材料，Wongwiwat等研究了采用激光微加工技術(shù)在硅晶片表面加工的微通道陣列結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)對硅晶片生物特性的影響，表明硅晶片表面的微結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)蛋白質(zhì)的吸收。雖然這會(huì)促使心血管或血液相關(guān)的醫(yī)療器件在應(yīng)用過程中產(chǎn)生血栓，但蛋白質(zhì)吸收性能增強(qiáng)也可以促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)展，這對于生物醫(yī)學(xué)移植微機(jī)電器件，如微芯片、壓力傳感器及給藥系統(tǒng)等的應(yīng)用是非常有益的。

3D形狀的微納纖維結(jié)構(gòu)的制備問題一直是其在組織工程領(lǐng)域無法得到有效應(yīng)用的難題。Kim等采用飛秒激光加工技術(shù)，在通過靜電紡絲法制取的3D微納纖維結(jié)構(gòu)上加工出3D孔隙結(jié)構(gòu)。

周圍神經(jīng)再生元件是一種由聚D乳酸(PDLA)和聚乙烯醇(PVA)等生物材料制作而成的多層聚合物結(jié)構(gòu)，其中PDLA薄膜在4-6個(gè)月可降解， 而PVA薄膜在37 ℃條件下約兩周內(nèi)即可溶解。Kancharla等在2002年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明激光微加工技術(shù)應(yīng)用于生物可降解微型醫(yī)學(xué)器件制備是可行的。

生物醫(yī)學(xué)元件的小型化，特別是從生物微器械到生物納器械的轉(zhuǎn)變，是研究人員必將面臨的挑戰(zhàn)。在醫(yī)療器械的改善，疾病的預(yù)防、診斷及治療方面，MEMS有著潛在的巨大應(yīng)用前景。微小化是MEMS的重要特征， 隨著MEMS技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的不斷發(fā)展，如何精準(zhǔn)、快速地加工出日趨復(fù)雜和精密的元器件已成為MEMS在生物醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的重要課題。

激光微加工技術(shù)，使得傳統(tǒng)微加工手段無法實(shí)現(xiàn)醫(yī)用微機(jī)電產(chǎn)品，如醫(yī)用導(dǎo)管、微芯片、給藥系統(tǒng)等成為了可能。盡管激光微加工技術(shù)在生物醫(yī)療MEMS中的應(yīng)用才剛起步，但基于激光燒蝕機(jī)理的脈沖激光直接微加工和激光立體平板印刷等技術(shù)得到越來越多的重視及研究，激光微加工技術(shù)必將推進(jìn)MEMS在生物醫(yī)療上的廣泛應(yīng)用，并推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)療工程的發(fā)展。

血管支架植入是治療動(dòng)脈硬化等血管疾病的有效手段，通過擴(kuò)張術(shù)使血管或腔體在狹窄或閉塞的情況下保證血液能夠流入閉塞的動(dòng)脈， 而支架通常是由生物相容性較好的金屬合金或有機(jī)聚合物加工而成的管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)假體。金屬心血管支架植入是目前治療冠狀動(dòng)脈阻塞應(yīng)用最多的方法。

大多數(shù)支架都由金屬制成，在植入后會(huì)永久存留在動(dòng)脈中，存在引發(fā)嚴(yán)重醫(yī)療并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。為避免引起這類并發(fā)癥，一個(gè)解決方案是使用聚左旋乳酸(PLLA)、聚乳酸(PLA)等材料制作而成的生物可吸收支架，但由于其熔點(diǎn)低， 對熱效應(yīng)極其敏感，加工這種生物可吸收材料是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，利用飛秒激光加工技術(shù)則可以有效控制樣品支架結(jié)構(gòu)的熱損傷。

圖 飛秒激光切割三角切口結(jié)構(gòu)的(a)PLLA薄片和(b)局部結(jié)構(gòu)

激光微加工作為一種不受材料限制的無接觸“冷”加工技術(shù)，極大地降低了加工過程中的熔融區(qū)、熱影響區(qū)、沖擊波等多種效應(yīng)對周圍材料造成的影響。利用超短脈沖激光加工支架能夠獲得精確的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和光滑的切割表面，并使激光束能量對支架材料產(chǎn)生的熱影響降到最小。激光微加工非熱消融的加工方式，從根本上使得生物可吸收支架技術(shù)變得可行。但激光微加工的血管支架造價(jià)昂貴、產(chǎn)量較低，如何使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)血管支架工業(yè)化批量生產(chǎn)是研究人員亟需解決的難題。

細(xì)胞組裝技術(shù)是生物制造工程的核心，通過所制備支架的材料和結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞成長，從而間接控制細(xì)胞的組裝，其關(guān)鍵就是3D基體支架的制造。支架的傳統(tǒng)機(jī)加工制備方法難以形成微米級可控的孔隙結(jié)構(gòu)，并且難以保證孔隙之間的完全貫通。自1993年Langer等首次將快速成型技術(shù)應(yīng)用于組織工程支架制備以來，快速成型技術(shù)在制造生物支架的微細(xì)結(jié)構(gòu)方面取得了不斷的進(jìn)步與發(fā)展。

激光快速成型技術(shù)采用激光束對成型材料進(jìn)行選擇性快速掃描，使材料逐層堆積，逐漸形成具有各種內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，其加工過程突破了材料內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，在制造生物支架的微細(xì)結(jié)構(gòu)方面有著其他傳統(tǒng)制造工藝不可比擬的優(yōu)勢，能夠很好地解決傳統(tǒng)工藝在成型多孔細(xì)胞載體支架結(jié)構(gòu)方面存在的問題。隨著激光微立體光刻等激光微成型技術(shù)的不斷發(fā)展，激光微加工成型技術(shù)在制造生物醫(yī)療領(lǐng)域必將帶來新一輪的技術(shù)革新。

醫(yī)療設(shè)備是具有高附加值的產(chǎn)品，在質(zhì)量方面要求嚴(yán)格，通常要求采用挑戰(zhàn)性的工業(yè)制造工藝。微加工是當(dāng)今制造業(yè)最為活躍的研究方向之一，微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合實(shí)力的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。激光微加工是一種高精度、綠色環(huán)保的無接觸加工工藝，具有很好的靈活性和可控性， 超短脈沖激光以其獨(dú)特的脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高等優(yōu)越性能對傳統(tǒng)的加工方法產(chǎn)生沖擊，在生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。激光微加工技術(shù)賦予生物材料新的結(jié)構(gòu)和功能，充分調(diào)動(dòng)人體自主修復(fù)的能力，實(shí)現(xiàn)被損壞的組織或器官的永久康復(fù)，已成為當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向。

雖然激光微加工技術(shù)可以微處理具有極端精細(xì)結(jié)構(gòu)的新一代植入型醫(yī)療器械，讓下一代植入型醫(yī)療器械商用變得可行，但是激光微加工技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展還不夠成熟，生產(chǎn)效率較低，工作穩(wěn)定性還有待提高。對于激光微加工過程， 目前還沒有形成一套完整的理論可以解釋在超快、超短、超強(qiáng)的極端條件下激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)，也不能很好地評估出激光微加工對材料結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性能造成的影響，下一步的工作仍需要大量基礎(chǔ)性和規(guī)律性的研究，同時(shí)還需根據(jù)激光微加工的特性以及被加工材料的屬性， 開發(fā)模擬分析軟件，對微加工過程進(jìn)行模擬和仿真，優(yōu)化激光微加工過程的參數(shù)。