飞秒激光技术
因其高精度和高分辨率在生物医学领域展现出巨大潜力，尤其是在
制备具有微/纳米结构的凝胶
方面。这些凝胶材料能够模拟细胞外基质，在再生医学、生物纳米结构构建、药物输送和粒子操控等领域发挥关键作用。
基于此方向的高速发展，来自
宁波大学附属李惠利医院的Jingyun Ma以及上海浦东新区公利医院的Honghao Zhang
团队详细讨论了
飞秒激光在制备凝胶微/纳米结构中的应用，包括其非线性吸收特性、加工原理、技术方法以及在生物医学领域的具体应用
。通过深入分析飞秒激光加工的优势和局限性，进而
为未来凝胶微/纳米结构制备技术的发展提供了合理预测和改进建议
。相关研究以
“Femtosecond-Laser Preparation of Hydrogel with Micro/Nano-Structures and their Biomedical Applications”
为题发表在
《Small Science》
上。
这篇关于飞秒激光制备具有微/纳米结构的凝胶及其生物医学应用的综述文章，主要介绍了飞秒激光在凝胶微/纳米结构制备中的应用，包括其加工原理、技术方法、生物医学应用及未来展望。
以下是对本综述讨论点的简要概述：
（1）高精度微/纳米结构制备：
利用飞秒激光的非线性吸收特性和双光子聚合效应，实现了凝胶材料的高精度三维微/纳米结构制备，突破了传统制造方法在精度和分辨率上的限制。
（2）多功能智能响应性结构：
通过飞秒激光技术制备了具有刺激响应性的智能微执行器、微流体通道和生物支架，这些结构能够对外部刺激（如温度、pH值、光照等）做出精确响应，展现出在药物输送、细胞操控和生物传感等领域的广泛应用潜力。
（3）仿生微环境的构建：
制备的微/纳米结构凝胶能够模拟细胞外基质（ECM）的复杂环境，支持细胞生长和组织工程应用。通过精确控制孔隙大小、分布和交联形式，促进了细胞行为的研究和生物医学应用的发展。
这篇文章为飞秒激光在凝胶微/纳米结构制备中的应用提供了全面的综述，并通过探讨其加工原理、技术方法和生物医学应用，展示了飞秒激光技术在生物医学领域的巨大潜力和未来发展方向。
图1 飞秒激光制备凝胶微/纳米结构及其生物医学应用
1. 飞秒激光制备微/纳米结构凝胶的原理与技术
飞秒激光制备微/纳米结构凝胶的原理与技术主要依赖于飞秒激光的非线性吸收特性和双光子聚合效应。
飞秒激光具有超短脉冲宽度和极高的峰值功率，能够在极小的空间范围内实现高精度的材料加工。通过双光子吸收效应，飞秒激光能够在材料的焦点区域引发光聚合反应，从而实现亚衍射极限的加工精度。此外，飞秒激光加工系统通常包括激光源、光束整形模块、三维移动平台和软件控制模块等组成部分，能够精确控制激光能量和扫描路径，以制备出复杂的微/纳米结构凝胶。
这些技术特点使得飞秒激光在制备具有精确三维形态和高分辨率的凝胶微/纳米结构方面具有显著优势，广泛应用于生物医学领域。
图2 飞秒激光加工系统示意图
2. 智能响应性微执行器的设计与应用
智能响应性微执行器的设计与应用是飞秒激光技术在生物医学领域的一个重要方向。
这些微执行器通常由具有刺激响应性的凝胶材料制成，能够对外部的物理或化学刺激（如温度、pH值、光照等）做出精确的响应。通过飞秒激光直接写入技术，可以精确控制微执行器的几何形状和交联密度，从而实现对其响应行为的调控。这些智能微执行器在药物输送、细胞操控和生物传感等领域展现出广泛的应用潜力，例如能够根据环境变化自主调节形状以实现药物释放，或在微流体设备中作为可编程的阀门和泵。
此外，结合多材料打印技术，还可以制造出具有复杂功能和更高集成度的智能微系统，推动了智能医疗和软机器人技术的发展。
图3 飞秒激光直接写入双刺激响应微/纳米结构
3. 飞秒激光在药物输送系统中的应用进展
飞秒激光在药物输送系统中的应用进展显著，特别是在制备智能响应性药物输送载体方面。
通过飞秒激光技术，可以精确制造出具有复杂三维结构的微/纳米凝胶，这些凝胶能够根据外部刺激（如温度、pH值、光照等）改变其形状和孔隙率，从而控制药物的释放速率和位置。例如，飞秒激光制备的微泳者可以在体内自主导航，将药物精确输送到目标部位。此外，飞秒激光还可以用于制造微流体芯片中的药物输送系统，通过集成智能响应性微执行器，实现对药物释放的精确控制。
这些进展为个性化医疗和精准药物输送提供了新的解决方案，有望显著提高治疗效果并减少副作用。
图4 激光直接写入人工细菌鞭毛微泳者
4. 仿生微环境构建：飞秒激光制备的3D细胞支架
仿生微环境构建是飞秒激光技术在组织工程和再生医学中的重要应用之一。
通过飞秒激光技术，可以制备出具有高度复杂三维结构的细胞支架，这些支架能够模拟细胞外基质（ECM）的微环境，支持细胞的生长、分化和功能表达。飞秒激光制备的细胞支架具有高精度、高分辨率的特点，能够精确控制孔隙大小、形状和分布，从而优化细胞的黏附、增殖和迁移行为。此外，飞秒激光技术还可以实现支架材料的多功能化，如引入温度响应性、光响应性等智能特性，使支架能够根据外部刺激动态调节其物理和化学性质。这些仿生微环境不仅为细胞提供了更接近生理状态的生长条件，也为研究细胞行为、药物筛选和疾病模型提供了强大的工具，推动了组织工程和再生医学的发展。
图5 激光诱导前向转移法培养细胞
5. 微流体芯片中的智能组件：飞秒激光技术的作用
飞秒激光技术在微流体芯片中的智能组件制备中发挥着关键作用。
通过飞秒激光技术，可以精确制造出具有复杂三维结构的智能组件，如微阀、微泵和微传感器等，这些组件能够根据外部刺激（如温度、pH值、光照等）自主调节其功能。在微流体芯片中，这些智能组件能够实现对流体流动的精确控制，从而优化样品处理、化学反应和细胞培养等过程。飞秒激光技术的高精度和高分辨率特性，使得制备的智能组件具有优异的性能和可靠性。此外，飞秒激光技术还可以实现智能组件的多材料、多功能集成，进一步提升微流体芯片的综合性能。这些进展不仅推动了微流体技术的发展，也为生物医学研究和临床应用提供了新的解决方案。
图6 pH响应网格状结构
6. 飞秒激光制备凝胶微结构的生物医学应用案例
飞秒激光制备凝胶微结构的生物医学应用案例广泛展示了其在现代医疗研究中的潜力。
例如，在智能响应性微执行器领域，飞秒激光技术被用于制造能够根据环境变化自主调节形状和功能的微执行器，这些微执行器可用于药物输送系统，实现按需释放药物。在组织工程方面，飞秒激光制备的3D细胞支架能够模拟细胞外基质，支持细胞的生长和分化，有望用于修复受损组织。此外，飞秒激光技术还被用于制造微流体芯片中的智能组件，如微阀和微泵，实现对流体流动的精确控制，从而优化生物医学研究和临床应用中的样品处理过程。
这些应用案例证明了飞秒激光技术在生物医学领域的广泛应用前景，为个性化医疗和精准治疗提供了新的工具和解决方案。
图7 湿度响应花形凝胶微/纳米结构
综上所述，本文
综述了飞秒激光在制备凝胶微/纳米结构中的原理、技术及其在生物医学领域的应用
。飞秒激光技术通过其高精度和高分辨率的特点，在制造复杂三维结构的凝胶方面表现出显著优势。这些结构在智能响应性微执行器、药物输送系统、仿生微环境和微流体芯片等领域展现出广泛的应用前景。尽管飞秒激光技术目前面临一些挑战，如制造成本高和生产效率低，但通过技术创新和跨学科合作，未来有望实现更高效、更智能的生物医学应用。
展望未来，飞秒激光技术将在个性化医疗、再生医学和智能医疗设备等领域发挥更加重要的作用，推动生物医学研究和临床治疗的进步。
参考资料：
https://doi.org/10.1002/smsc.202400400
来源：
EngineeringForLife
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