激光微加工制备技术在生物医学领域的最新应用.docx

激光微加工制备技术在生物医学领域的最新应用.docx

《激光微加工制备技术在生物医学领域的最新应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光微加工制备技术在生物医学领域的最新应用.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

激光微加工制备技术在生物医学领域的最新应用

学院：

机电工程学院

专业：

光电信息科学与工程

班级：

光电一班

学号：

2015953029

学生姓名：

罗佳佩

指导教师：

李宏棋

二○一八年十二月

激

光

微

加

工

技

术

制

备

生

物

医

用

器

械

摘 要:

激光微加工具有超快、超精密的特性,在医疗器械加工中有着独特的优势,尤其是针对具有良好生物相容性材料的微加工有着不可替代的作用.系统总结了激光微加工制备技术在生物医学领域的若干最新应用,重点讨论了生物材料表面微加工、医学元件和血管支架微结构制备以及三维生物支架快速成型等技术,并进一步指出现有激光微加工制备生物医用材料的局限和发展趋势. 

关键词：

激光制造;激光微加工;生物医学;微结构;生物材料;医学元件

Abstract ：

Abstract Lasermicrofabricationhasuniqueadvantagesinmedicaldevices especiallyforbiomedicalcompatible materials duetoitspropertiesofultrashortpulsesandhighprecision.Somenewinvestigationsaresummarizedsuchaslasermicromachiningofbiomaterialsurfacemicrostructurelasermicrofabricationofmedicaldevicesandstentsaswellasrapidprototypingofthree-dimensionalbiomaterialscaffold.Itpointsoutthedisadvantagesofcurrentlasermicrofabricationtechnologiesinbiomedicalfieldandproposessuggestionsforfurtherdevelopment.

Keywords：

lasermanufacturing;lasermicromachining;biomedicine;microstructure;biomaterial;medicaldevices

1 引  言 

激光微加工起源于半导体制造工艺,是通过超短脉冲激光切割、打孔、焊接等方法对材料进行加工,进而获得微纳米尺度二维（2D）或三维（3D）结构的工艺过程.1976年首次在染料激光器中实现飞秒级的脉冲输出,使得激光微加工在技术上成为了可能,1981年激光输出脉冲宽度突破100fs,1995年Pronko等首次将波长为800nm的飞秒激光应用于材料微加工.超短激光的脉冲宽度一般在皮秒（ps）到飞秒（fs）之间,短于绝大多数物理化学过程的特征时间,制造过程中可以达到调控电子状态并实现“冷加工”的目的.相比于长脉冲激光,超短脉冲激光微加工是一个非线性、非平衡过程,阈值效应明显,热影响区极小,可控性高.近年来,超短脉冲激光被广泛应用于微流体装置、微传感器、生物医疗等微纳制造领域.尤其在生物医疗领域,激光可实现复杂精细的微纳结构加工,能够最大限度地满足生物医疗产品的某些特殊应用要求.在医疗器械加工应用中,传统的加工方法,如长脉冲激光加工、线切割、电火花放电加工、等离子喷涂、烧结、电化学沉积等,由于其高温、高酸或高碱性的加工环境,已不适用于生物材料医疗器械的加工.相比而言,超短脉冲激光微加工具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、3D空间上严格定位等优点,在医疗器械加工中有着很好的应用前景.生物医用材料虽然兼顾了材料的力学性能和生物化学性能,但很难拥有良好的表面性能,对加工方法的要求也极为严苛.植入物的生物相容性是生物医用材料最基本的要求.材料表面改性是提高医用材料生物相容性的有效段.1999年,Nolte等将钛宝石飞秒激光器的三倍频激光（260nm）和扫描近场光学显微镜（SNOM）相结合,在金属镉膜表面刻出了线宽仅为200nm的凹槽,为激光微加工在金属材料表面改性方面的研究奠定了基础.2005年,Liu等利用超短脉冲激光微加工技术在胶原蛋白基质上加工出孔、槽和网格微结构,研究了人类纤维原细胞和白鼠间叶细胞在其表面的增殖、粘附和生存能力,展示了激光微加工在生物材料表面改性上的巨大潜力.无创或微创治疗技术是现代医学领域中的前沿课题,医疗微机电系统（MEMS）是最有可能实现无创或微创、精确安全、快速简便的医学检查、诊断、施药、治疗和手术的系统.利用多光子效应制备聚合物的超精细结构是飞秒激光应用的又一热点.2003年,Maruo等利用负性光刻胶制造出了以光驱动的微型装置,利用激光束控制其尖端的开放和闭合实现了更精确的运动控制,展示了激光微加工在医疗微机电领域的诱人前景.2006年,Doraiswamy等实现了微针、组织工程支架等3D微结构医疗器械的制备.自1994年强生公司率先采用316L不锈钢管经激光雕刻加工出世界上首例冠脉支架以来,金属支架在临床治疗心血管狭窄等疾病上取得了令人瞩目的成就.但是金属支架的存在容易导致血栓形成、血管壁损伤、再狭窄等问题,因此,可降解生物材料的血管支架成为研究热点,而对可降解材料的加工是决定该类支架材料应用的关键问题.2002年,Ostendorf等使用飞秒激光微加工技术在生物可降解聚合物材料上突破性地制备出血管内支架结构.

2 生物材料表面微加工

生物材料表面特征会显著影响细胞的粘附、扩展、增殖、分化等行为,是影响材料生物相容性的重要因素.常规材料表面改性方法虽能提高生物活性物质的负载,但是存在工艺复杂、涂层在体内溶解速度快、涂层易断裂等问题[22].激光微加工技术通过在材料表面快速加工出各种微观结构来改变其表面特征,通过变换微米粗糙度和横向间距的方法优化细胞的粘附与分化,从而在改变组织细胞生物特性方面有着重要的作用.与其他表面改性方法相比,激光微加工技术改性的生物材料表面改性层薄,对基体影响小,克服了现有改性方法的缺点.

Koufaki等利用飞秒激光扫描在单晶硅表面加工出粗糙度比为2.0~5.9的锥形表面微结构,通过转印方法将微结构复制到聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乳G羟基乙酸（PLGA）和有机改性陶瓷（ORMOCER）材料表面。

在组织工程学领域,研究细胞在生物材料表面的生物特性具有重要的意义,生物材料生物学性能的改进和提高,是当代生物医用材料发展的另一个重点.随着人们对生物材料表面界面的非特异性作用的不断了解,越来越多的研究人员认识到,只有在更加微观的尺度上实现对生物材料表面特异性生物活性作用的精确控制才是从根本上解决生物材料生物相容性的关键.激光微加工技术可在生物材料表面产生多种表面结构,如纯纳米结构、各种尺度的纳米、微米结合的复合结构,并可通过进一步激光微加工过程产生特有的、复杂的分层表面形貌.通过变换微米粗糙度、横向间距和其他微结构尺寸参数即可对细胞的粘附和分化进行优化.但是材料表面形貌的变化对细胞的影响比较复杂,其作用机理尚在探索之中,目前相关研究大部分仍处于实验室阶段,激光微加工对生物材料表面改性的效果还需要大量体内外实验进行相互验证.

３误差分析及算法仿真验证

微机电系统技术是建立在微米、纳米技术基础上的21世纪前沿技术,自20世纪80年代应用于医疗行业以来,其相关技术和产品已覆盖到检测、诊断、治疗等生物医学领域.当前,MEMS加工技术主要是利用化学腐蚀或集成电路工艺对硅基材料进行加工的技术,但由于医疗用MEMS处理对象的特性与工业用的情况有很大的差别以及新技术、新材料在医疗领域的不断应用,传统的硅基加工方法已不太适用于医疗用MEMS的加工.与传统的硅基加工技术相比,激光微加工技术不仅适用于多种材料,而且能够加工出具有亚微米精度的3D微型结构,在医疗用MEMS的加工中有良好的应用前景.使用高密度微电极阵列来唤起或记录神经活动是神经假体领域里一项非常复杂且重要的研究课题.Green等用传统的PDMS和铂（Pt）箔材料通过飞秒激光微加工技术加工出可移植的高密度微电极阵列,

激光加工使PDMS和铂箔表面形貌和化学成分发生变化,在PDMS和铂箔表面分别产生硅和铂的氧化物,但通过对细胞形貌、存活率和增殖率进行分析,结果表明,这些表面氧化物并未对微电极阵列材料的生物特性产生明显影响.Suaning等通过激光微加工技术制备出多层高密度微电极阵列,用于研究神经刺激和生物信号记录.使用激光微加工方法制取的微电极阵列表面结构一致且粗糙度较好,在阵列中最大电极点厚度约为200μm.

4 血管支架结构加工 

血管支架植入是治疗动脉硬化等血管疾病的有效手段,通过扩张术使血管或腔体在狭窄或闭塞的情况下保证血液能够流入闭塞的动脉,而支架通常是由生物相容性较好的金属合金或有机聚合物加工而成的管网状结构假体.金属心血管支架植入是目前治疗冠状动脉阻塞应用最多的方法.Kathuria等使用短脉冲激光微加工方法在SS316L不锈钢环形管上加工出缝宽约100μm、间距约200μm的缝隙阵列结构,加工的支架切割表面具有良好的锐度和较低的表面粗糙度.黄远等设计并利用脉冲激光微加工技术制作了在对支架进行 NIH/3T3和小鼠骨髓基质细胞的培养和溶血实验发现,采用激光切割加工出的支架没有细胞毒性,也不产生溶血反应,镁合金材料具有良好的生物相容性,且在人体内环境中具有较好的耐腐蚀性,在心血管支架的制造中应用广泛.Demir等利用短脉冲激光微加工方法对厚度为200μm的AZ31镁合金管进行切割,加工出支架结构.通过对不同辅助气体加工条件下所加工的心血管支架结构进行分析,发现在同样的加工参数下,利用氩气作为辅助气体比使用氧气加工效率更高,酸洗后支架表面效果更好。

6结论

医疗设备是具有高附加值的产品,在质量方面要求严格,通常要求采用挑战性的工业制造工艺.微加工是当今制造业最为活跃的研究方向之一,微机械技术的发展水平已经成为一个国家综合实力的衡量标准之一.激光微加工是一种高精度、绿色环保的无接触加工工艺,具有很好的灵活性和可控性,超短脉冲激光以

其独特的脉冲持续时间短、峰值功率高等优越性能对传统的加工方法产生冲击,在生物医疗领域有着广阔的应用前景.激光微加工技术赋予生物材料新的结构和功能,充分调动人体自主修复的能力,实现被损坏的组织或器官的永久康复,已成为当代生物医学的发展方向.

本文总结了激光微加工技术用于研究生物材料表面组织细胞行为特性的最新研究成果,综述了其在医学MEMS、血管支架加工和3D生物支架结构快速成型等方面的最新应用.利用激光微加工技术改变生物材料表面微结构可以有效提高其生物相容性,增强细胞在微结构表面的粘附性能、增殖和扩展等行为特性.激光微加工技术在生物医学元器件的MEMS加工中扮演着越来越重要的角色,突破了传统加工技术无法实现的诸多约束,并推动医疗领域内元器件的发展和应用.采用激光技术对心血管支架进行加工,提高了加工效率和加工精度,突破了加工材料的限制,使很多微小结构的加工成型得以实现.激光快速成型技术在生物支架结构制备中的应用对研究组织细胞在3D复杂环境中的行为特性具有重要推动作用,生物骨架的快速成型为快速修复损坏的骨组织提供了可能,在生物骨组织工程应用方面具有突出优势.

虽然激光微加工技术可以微处理具有极端精细结构的新一代植入型医疗器械,让下一代植入型医疗器械商用变得可行,但是激光微加工技术在生物医学领域的发展还不够成熟,生产效率较低,工作稳定性还有待提高.对于激光微加工过程,目前还没有形成一套完整的理论可以解释在超快、超短、超强的极端条件下激光与物质相互作用的物理本质,也不能很好地评估出激光微加工对材料结构及其物理化学性能造成的影响,下一步的工作仍需要大量基础性和规律性的研究,同时还需根据激光微加工的特性以及被加工材料的属 性,开发模拟分析软件,对微加工过程进行模拟和仿真,优化激光微加工过程的参数.

参考文献

【1】MilerPRAggarwalR,DoraiswamyAetal.LasermicromachiningforbiomedicalapplicationsJ.JOM200961935G40.

【2】RuddockIS,BradleyDJ.Bandwidth-limitedsubpicosecondpulsegenerationinmode-lockedcwdyelasersJ.AppliedPhysicsLeters1976295296G297. 

【3】ForkRLGreeneBIShankCV.Generationofopticalpulsesshorterthan0.1psecbycolidingpulsemodelockingJ.AppliedPhysicsLeters1981389671G672.

【4】PronkoPPVanRompayPASinghRKetal.Laserinducedavalancheionizationandelectron-latticeheatingofsiliconwithintensenearIRfemtosecondpulsesC.MRSProceedings199539745G51.

【5】LiX,JiangL,WangC,etal.Transientlocalizedmaterialpropertieschangesbyultrafastlaser-pulsemanipulationofelectrondynamicsinmicro/nanomanufacturingJ.MRSProceedings20111365mrs11G1365Gt01G01.

【6】ChengJie,YangMinghong,WangMinetal.Mach-ZehnderinterferencehydrogensensorbasedonfemtosecondlaserprocessingJ.ActaOpticaSinica20123270706001.