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

目录

1 引言 (1)

2 生物材料表面微加工 (2)

3 误差分析及算法仿真验证 (3)

4 血管支架结构加工 (3)

6 结论 (4)

参考文献 (6)

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 Laser micro fabrication has unique advantages in medical devices especially for biomedical compatible materials due to its properties of ultrashort pulses and high precision.Some new investigations are summarized such as laser micro machining of bio material surface micro structure laser micro fabrication of medical devices and stents as well as rapid prototyping of three-dimensional bio material scaffold.It points out the disadvantages of current laser micro fabrication technologies in biomedical field and proposes suggestions for further development.

Key words：laser manufacturing;laser micro machining;bio medicine;micro structure;bio material; medical devices

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