超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

　　　　　　中国光学　　　　　　　ｏｌ．１２　Ｎｏ．２

　　　Ｖ

　Ａｐｒ．２０１９　ＣｈｉｎｅｓｅＯｐｔｉｃｓ

文章编号　２０９５１５３１（２０１９）０２０１９９１５

超快激光制备生物医用材料表面功能

微结构的现状及研究进展

，２，３，４

张佳茹１，管迎春１

（１．北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京１００１９１；２．北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京１００１９１；３．北京航空航天大学国际交叉研究院，北京１００１９１；４．北京航空航天大学合肥创新研究院，合肥２３００１３）摘要：提高医疗植入材料的生物相容性，对提升植入医疗器械的安全性有重要意义。通过超快激光制造出微纳米级别尺寸的材料结构以改善材料的生物相容性，近年来已被广泛应用于生物医学领域。本文简单介绍了细胞与生物材料相互作用原理，从生物材料表面微结构对其生物相容性能的影响出发，综述了超快激光加工不同材料表面形貌特征对细胞粘附、迁移、增殖、分化的影响，并进一步指出超快激光制备微纳结构在生物材料领域的局限和发展趋势。关　键　词：生物材料；超快激光；微纳结构；细胞行为

中图分类号：ＴＮ２４９　　文献标识码：Ａ　　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１９１２０２．０１９９

Ｓｕｒｆａｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒ：ａｒｅｖｉｅｗ

１１，２，３，４

ＺＨＡＮＧＪｉａｒｕ，ＧＵＡＮＹｉｎｇｃｈｕｎ

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｏｒＬａｒｇｅＭｅｔａｌｌｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；

３．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＭｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＳｃｉｅｎｃｅ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；

４．ＨｅｆｅｉＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００１３，Ｃｈｉｎａ）

ｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：ｇｕａｎｙｉｎｇｃｈｕｎ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎＣ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｔｏｔｈｅｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｄｉｃａｌｉｍｐｌａｎｔｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔ

　　收稿日期：２０１８０５０９；修订日期：２０１８０６０５

　　基金项目：国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项（Ｎｏ．２０１６ＹＦＢ１１０２５０３）；科技部９７３计划（Ｎｏ．

２０１５ＣＢ０５９９００）；国家自然科学基金（Ｎｏ．５１７０５０１３）；科技部重点研发专项（Ｎｏ．２０１８ＹＦＢ１１０７４００，Ｎｏ．２０１８ＹＦＢ１１０７７００）；北京市自然科学基金（Ｎｏ．３１６２０１９，Ｎｏ．Ｊ１７０００２）

ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＰｒｏｇｒａｍｏｆＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈｉｎＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄＬａｓｅｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１６ＹＦＢ１１０２５０３）；ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１５ＣＢ０５９９００）；ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１７０５０１３）；ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１８ＹＦＢ１１０７４００，Ｎｏ．２０１８ＹＦＢ１１０７７００）；ＢｅｉｊｉｎｇＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ（Ｎｏ．３１６２０１９，Ｎｏ．Ｊ１７０００２）

２００

　　　　中国光学　　　　　　

第１２卷　

ｔｏｗａｒｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｉｍｐｌａｎｔｓ．Ｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｉｒａｂｉｌｉｔｙｔｏｐｒｏｄｕｃｅｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｈａｔｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｅｌｌａｎｄｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｏｎｃｅｌｌａｄｈｅｓｉｏｎ，ｍｉｇｒａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｌａｓｅｒｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒ；ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｃｅｌｌｂｅｈａｖｉｏｒ

１　引　言

　　生物材料（ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）是指用于与生命系统接触且发生相互作用的，能对器官、组织和细胞进行替换修复、诊断治疗或诱导再生的一类人工合成或天然的特殊功能性材料，又称生物医用材

料［

１］

。近年来已被广泛应用于临床诊断、修复、治疗、或替代人体组织器官等［２］

。随着医疗水平

的发展，对医学材料及新的医疗设备提出了更高的要求，可植入人体的生物材料在现代医学中的作用越来越重要。然而临床结果显示，几乎所有的植入医疗器械都会在人体中产生不同程度的不

良反应，包括纤维变性、炎症、感染、血栓等［３５］

。

为了提高医疗植入材料的安全性，生物相容性成为植入生物材料的基本要求。

生物相容性是指医疗植入材料在生物体内的动态变化过程中，能耐受宿主各系统的作用而保持相对稳定状态、不被排斥或破坏的生物学特性，

包括血液相容性和组织相容性［

６］

。人体组织对植入物进行的生物学反应，通常发生在材料与生物体接触的界面，包括细胞表面

细胞外基质、细胞表面植入材料表面等［７］

。细胞是维持生命的基本单元，也是组织修复的基本物质［

８］

。因此，生物相容性的好坏不仅依赖于材料本身，还和与人体细胞直接接触的材料表面的性能密切相关，包括材料表面的结构、成分、表面形貌、亲疏水性

及表面的能量状态等［９］

。通过生物、化学和物理

等方法改善材料表面的性质，可以在不改变材料本身物理性能的前提下，大幅度提升医疗植入物与生物体的生物相容性。从材料学角度，生物材料表面的微结构决定了材料性能，所以可以通过

在材料表面制备微结构影响细胞行为，从而改善

植入物的生物相容性［

１０］

。１９１２年，Ｈａｒｒｉｓｏｎ等人［１１］

最早报道了通过材

料表面微结构影响细胞行为。此后，大量研究开始着重于利用表面形貌来引导细胞的生长和发育。微制造技术为细胞行为的研究提供了重要手段，微制造表面的细胞行为在生物医学研究方面

发展快速［１２］

。近年来，超快激光已成功在医用生

物材料与器械的表面诱导微纳结构影响细胞行

为［

１３１５］

，用于提高其生物相容性。已有研究在细胞对不同微纳结构的反应方面取得了显著的进步。本文简单介绍了细胞与生物材料相互作用原理，综述了近年来超快激光加工微纳结构在生物材料领域的研究及其最新进展。

２　生物材料表面与细胞的相互作用

　　细胞生物学行为包括粘附、迁移、增殖、分化等。细胞的这些行为很大程度上依赖于周围的微环境，包括细胞外基质（ＥＣＭ）、相邻细胞、可溶性生长因子和细胞因子等，它们均可被视为细胞赖

以生存的“材料”

［１６１８］

。通过在生物材料表面制造微纳结构，来模仿细胞生长的自然环境，使细胞

在与有机活体相似的环境中生长［

１９］

。当生物材料和细胞接触时，材料表面首先吸

附的是细胞外基质蛋白，如图１所示［２０］

，它们能

够积聚到植入材料的表面形成结合牢固的吸附

物，用于引导细胞粘附［２１］。由图１可知，生物材

料通过表面吸附的蛋白，表面沉积的细胞外基质，表面的生物粘附片段，与细胞表面的整联蛋白发生作用，介导细胞在生物材料表面的粘附。细胞在材料表面粘附后，进行爬行的行为，称为细胞迁

第２期

张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２０１

２２］

移［。细胞迁移大致包括４步如图２所示。高

有序的过程完成繁殖，其中干细胞在繁殖过程中，会受周围环境影响分化为不同类型的细胞。此时，细胞的形状不仅与外观相关，而且与细胞的生存环境和功能活动密切相关。

等动物的伤口愈合、血液凝固、免疫应答、组织发育等多种生命活动都与细胞迁移运动密切相关。细胞在材料表面进行良好粘附后，会通过一系列

２３］

图１　细胞与合成材料粘附的控制机制［

［２３］

Ｆｉｇ．１　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｅｌｌａｄｈｅｓｉｏｎｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ

图２　细胞迁移过程示意图

Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｍｉｇｒａｔｉｏｎ

大缺陷，极大地了生物材料表面微结构制备

３　激光加工微纳结构对细胞行为的

影响

　　在生物材料表面制造微纳结构，模拟ＥＣＭ真实形貌来控制细胞生物学行为，是提高材料生物相容性的有效手段。但传统的微纳米加工手段在结构灵活性、加工效率、成品率等方面，都存在较

技术的发展，表１给出了几种不同典型微纳加工方法制备生物材料的优缺点。近年来，通过超快激光制造出微纳米级别尺寸的材料以改善材料的生物相容性，这种方法已被广泛地应用于生物医学领域。目前利用超快激光已成功在不同生物材

２４２８］

。料表面加工出如图３所示的多种微纳结构［

２０２

　　　　中国光学　　　　　　

表１　微细加工生物材料方法对比

Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

加工方法

优势

可经济高效地加工脆硬材料

热影响小适合脆硬材料加工

热影响小沉积速率可控可用于复杂形状的加工

加工质量高可加工微型组件

可对几乎所有材料进行复杂轮廓加工

超快激光加工

加工精度高清洁环保可选择性加工

设备成本高

劣势

加工深度不易精确控制

加工速率低不适合深孔加工设备成本高热影响大仅适用于高导电材料

设备成本高

电子束加工

加工速度低对工件尺寸有

第１２卷　

参考文献［２９３２］［３３］３４３５］［３６３７］［

磨料水射流加工

超声加工离子束加工电火花加工

［３８４０］

［４１４３］

图３　超快激光加工的微纳结构

Ｆｉｇ．３　Ｐｅｒｉｏｄｉｃｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒ

３．１　微纳结构对细胞粘附的影响

当生物材料与人体组织直接接触时，首先进行细胞粘附。研究表明，微纳结构表面可以提供

４４４７］一种比平面表面更好的细胞附着点［。Ｒａｎｅｌ４８］ｌａ等人［利用波长为８００ｎｍ、脉宽为１５ｆｓ、频率

光的能量密度，获得了具有不同表面粗糙度的微在粗糙度比为锥结构，如图４所示。结果表明，２６的情况下，纤维细胞对表面具有最佳的粘附性。不同类型的细胞，其生长特性不同，对最佳粘

１３］

附粗糙度要求也不同。Ａｌｅｘａｎｄｒｅ等人［利用同

１０００ｋＨｚ的飞秒激光辐照硅片表面，通过改变激样方法在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ上加工微结构，并研究了其

第２期

张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２０３

对人骨髓间充质干细胞的影响。结果显示，抛光面更有利于细胞粘附。以上研究表明，不同细胞

在不同材料表面达到最佳粘附时的表面粗糙度不同。

图４　未经处理的硅片以及经过不同能量密度的飞秒激光处理的硅片表面微观形貌图（ａ）和在与（ａ）对应表面上，

纤维细胞生长７２ｈ之后的荧光显微图像（ｂ）

Ｆｉｇ．４　ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｏｆｕｎｔｒｅａｔｅｄＳｉｗａｆｅｒｓａｎｄｗａｆｅｒｓｔｒｅａｔｅｄｂｙｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙｄｅｎ

（ａ）ａｎｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｙｉｍａｇｅｓ（ｂ）ｏｆｆｉｂｅｒｃｅｌｌｓａｆｔｅｒ７２ｈｏｕｒｓｏｆｇｒｏｗｔｈｏｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓｉｔｉｅｓ（ａ）

图５　５１５和１３３０ｎｍ波长激光在３１６不锈钢表面诱导ＬＩＰＳＳ结构对细胞的影响：ｉ．只有溶液介质，ｉｉ．ＲＡＷ２６４．７，

ｉｉｉ．ＭＳ５

Ｆｉｇ．５　ＥｆｆｅｃｔｏｆＬＩＰＳＳｉｎｄｕｃｅｄｂｙ５１５ｎｍａｎｄ１３３０ｎｍｌａｓｅｒｏｎ３１６ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｏｎｃｅｌｌｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｄｉａ：（ｉ）

ｍｅｄｉａｏｎｌｙ，（ｉｉ）ＲＡＷ２６４．７，（ｉｉｉ）ＭＳ５

２０４

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第１２卷　

　　血管支架植入是治疗动脉硬化等血管疾病的有效手段。然而，血管支架植入后，由于血小板过

４９］度增殖会出现血栓、再狭窄等并发症［。利用超

ＬａｓｅｒＩｎｄｕｃｅｄＰｅｒｉｏｄｉｃＳｕｒｆａｃｅＳｔｒｕｃ性表面结构（

ｔｕｒｅｓ，ＬＩＰＳＳ），并研究了两种周期结构对成纤维细胞（ＭＳ５）和单核细胞（ＲＡＷ２６４７）的影响，如图５所示。结果显示，粗糙度为几纳米的平面表面有利于ＲＡＷ２６４７粘附，而ＭＳ５更倾向粘附在粗糙度约为５０ｎｍ的ＬＩＰＳＳ结构上。同时发现周期和深度的增加会降低细胞的粘附性。结果还表明，微结构表面不利于血细胞粘附，从而较少产生凝血的机会，提高了血管支架的血液相容性。

快激光对支架表面进行修饰，控制细胞在支架表面的粘附，可有效避免血管支架植入后并发症的

５０］产生。Ｃｌａｒｅ等人［采用脉宽为５００ｆｓ、频率为

１００ｋＨｚ、波长分别为１０３０ｎｍ及５１５ｎｍ的飞秒激光，在不锈钢表面诱导出周期为３６０ｎｍ、深度为７８ｎｍ、粗糙度为２９ｎｍ及周期为７３０ｎｍ、深度４２ｎｍ粗糙度为４８ｎｍ的两种激光诱导周期为１

图６　（ａ）ＳＷ１０细胞培养在：（ｉ）未处理硅表面，（ｉｉ）～（ｖ）不同激光能量密度加工表面的细胞荧光图；（ｂ）培养３天

ＳＷ１０细胞在不同表面的数量后，

Ｆｉｇ．６　（ａ）ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｉｍａｇｅｓｏｆＳＷ１０ｃｅｌｌｓｃｕｌｔｕｒｅｄｏｎｕｎｔｒｅａｔｅｄＳｉ（ｉ），ｐａｔｔｅｒｎｅｄＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｔ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｄｅｓｉｔｉｅｓ（ｉｉ－ｖ）．（ｂ）ＮｕｍｂｅｒｏｆＳＷ１０ｃｅｌｌｓｇｒｏｗｉｎｇｏｎｔｈｅｌａｓｅｒｐａｔｔｅｒｎｅｄＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｆｏｒ３ｄａｙｓｏｆｃｕｌｔｕｒｅ（ＤＯＣ）

　　材料表面的表面能、微结构类型等也是影响

５１］细胞在材料表面粘附的重要因素。Ｗａｎｇ等人［

倍。同时，微结构扩大了材料表面积，增加了蛋白质的吸附，显著增强了细胞的粘附性能。Ｙｉａｎｎａ

５２］

ｋｏｕ等人［使用波长为８００ｎｍ、脉宽为１５０ｆｓ、频

使用波长为２６６ｎｍ激光在聚苯乙烯上诱导出周期为２５０ｎｍ，深度为６０ｎｍ的ＬＩＰＳＳ结构。经过激光处理后材料的表面能是未处理表面的１５

率为１ｋＨｚ的飞秒激光在硅上诱导出周期为１４６ｎｍ的纳米波纹结构和周期为１４０ｎｍ，高度为２～

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张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２０５

１１ｎｍ的分层结构，如图６所示。通过在不同微结构表面培养雪旺式细胞（ＳＷ１０），发现纳米结构对细胞粘附起到了抑制效果，但分层的微纳结构可显著提升细胞的粘附性能。利用超快激光改变生物材料表面微纳结构进而改善材料表面性能，是一种有效控制细胞粘附性能的方法。３．２　微纳结构对细胞迁移、定向的影响

大量组织都具有微米或纳米尺度的拓扑结构，如心肌组织和血管呈现为有序排列的纤维状５５］

。活性及帮助血液从心脏有效泵出极为重要［

热解碳作为人工心脏的优选材料，需要满足功能

５６］

的各向异性。目前Ｓｔｐａｋ等人［利用波长为

１０３０ｎｍ、脉宽为４５０ｆｓ、频率为１００ｋＨｚ及波长为１０６４ｎｍ、脉宽为１５ｐｓ、频率为１００ｋＨｚ的两种超快激光器，在热解碳材料上加工出９０～８６０ｎｍ的ＬＩＰＳＳ结构，但能否通过其表面微纳结构控制细胞定向排列，实现心脏功能的各向异性，有待进一步研究。

结构，因此细胞的定向生长在医疗植入物功能组织中具有重要意义。细胞在植入物材料表面良好粘附后，可通过精确控制细胞在材料表面的迁移行为，实现类似于生物体组织器官细胞的分布和取向。目前超快激光微纳制造技术已被用于模仿或构建类似于生物体内的细胞外环境，实现对细

胞形态和分布的精准［

５３］

。图７　培养４８ｈ后，ｈＭＳＣ细胞在硅表面的细胞迁

移，黑色区域为激光加工区域

Ｆｉｇ．７　Ａｆｔｅｒ４８ｈｏｕｒｓｏｆｃｕｌｔｕｒｅ，ｈＭＳＣｃｅｌｌｓｍｉｇｒａｔｉｏｎ

ｏｎｔｈｅＳｉｓｕｒｆａｃｅ（ｄａｒｋａｒｅａｓａｒｅｌａｓｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｒｅａｓ）

通过生物材料表面微观结构控制成骨细胞排列对于实现骨骼各向异性至关重要。Ｗａｌｌａｔ等

人［

５４］

利用波长为１０６０ｎｍ、脉宽为１４０ｆｓ、频率为８０ＭＨｚ的飞秒激光在硅表面加工出周期为１００ｎｍ的ＬＩＰＳＳ结构。ｈＭＳＣｓ培养初期，细胞均匀分布在ＬＩＰＳＳ区域和平面区域，４８ｈ后，ＬＩＰＳＳ区域的细胞向平面区域迁移，如图７所示。研究表明激光微纳加工可以有效引导骨细胞迁移，有助于实现骨的各向异性。心脏的本质特征是功能的各向异性，这一特征对维持心脏的机械活性、电

生物材料表面的拓扑结构特征是诱导细胞产生特定行为的关键因素，为了进一步观察材料表面微纳结构对细胞迁移定向的影响，Ｒｕｓｅｎ等

人［

５７］

通过飞秒激光器（波长为７７５ｎｍ、脉宽为２００ｆｓ、频率为２ｋＨｚ的）在壳聚糖薄膜上制备了气泡结构，并研究了不同气泡结构尺寸对少突胶质细胞的粘附和定向生长行为的影响，结果如图８所示。可见气泡高度小于２００ｎｍ，对细胞行为几乎没有影响，当气泡高度大于３μｍ时，细胞早期的生长行为将受到影响。当气泡间距大于４０μ

ｍ时，细胞行为几乎没有受到影响，当气泡间距在细胞长度范围内（

１０～３０μｍ）时，细胞出现沿着气泡方向生长的趋势。但是这种影响只出现在细胞生长初期，细胞培养２４ｈ后，由于细胞的融合，生长趋势不明显。

大量体外细胞培养实验表明，表面微纳沟槽

结构能引起细胞沿沟槽方向平行分布，即“接触

引导”现象［

５８］。Ｇｅｏｒｇｅ等人［５９］

通过飞秒激光（波长为８

００ｎｍ、脉宽为５０ｆｓ、频率为５１ＭＨｚ）直写技术在石英表面分别加工出间距为５０μｍ、１００μｍ的微沟槽表面，如图８所示。结果显示：成纤维细胞培养２

４ｈ后，细胞在间距为５０μｍ的微沟槽表面方向性更明显。结果表明，微结构密度是影响细胞行为的一个重要因素。Ｒ

ａｉｍｂａｕｌｔ等人［２８］

利用波长为１０３０ｎｍ、脉宽为４００ｆｓ、频率

为１

００ｋＨｚ的飞秒激光在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ上加工出宽度为２５～７５μｍ，深度为１～１０μｍ的微沟槽，小鼠间充质干细胞培养结果显示，宽度为２５～５０μ

ｍ，深度大于５μｍ的微沟槽对细胞迁移定位效果明显，细胞沿微沟槽排列生长。Ｔａｒｍｏ等人［

４９］

利用波长为８００ｎｍ、脉宽为１２０ｆｓ、频率为１ｋＨｚ

２０６

　　　　中国光学　　　　　　

第１２卷　

图８　ＯＬＮ细胞在（ａ）未处理表面；（ｂ）不同高度气泡结构表面；（ｃ）高度２００ｎｍ的汽泡结构表面和（ｄ）高度３μｍ

汽泡结构表面的细胞迁移。黑色箭头显示了细胞在最初的１２ｈ内具有良好的方向性

Ｆｉｇ．８　ＯｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｉｍａｇｅｓｏｆＯＬＮｃｅｌｌｓｃｕｌｔｕｒｅｄｏｎ（ａ）ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｔｏｓａｎｓｕｒｆａｃｅ，ｏｎ（ｂ）ｂｕｂｂｌｅｓｌｉｋｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｒａｙ，ａｎｄｗｉｔｈｂｕｂｂｌｅｈｅｉｇｈｔｏｆ２００ｎｍ（ｃ）ａｎｄ３ｍ（ｄ）．Ｂｌａｃｋａｒｒｏｗｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｃｅｌｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙμ（ｆｉｒｓｔ１２ｈ）ｏｎＣＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｎｃｏｕｒａｇｅｄｉｎｉｔｓｅａｒｌｙｓｔａｇｅｓ

图９　（ａ）激光（５３２ｎｍ）在２００ｎｍ聚苯乙烯薄膜上制备的周期为２５μｍ，深度分别为＜４μｍ、４～６μｍ和＞７μｍ的

沟槽结构；（ｂ）平滑肌细胞培养在对应结构上的荧光图

Ｆｉｇ．９　（ａ）Ｇｒｏｏｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｐｅｒｉｏｄｏｆ２５μｍａｎｄｄｅｐｔｈｌｅｓｓｔｈａｎ４μｍ，ｄｕｒｉｎｇｉｎ４－６μｍ，ｍｏｒｅｔｈａｎ７μｍ，ｐｒｅ

；（ｂ）ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｍａｇｅｓｏｆｓｍｏｏｔｈｍｕｓｃｌｅｃｅｌｌｓｃｕｌｔｕｒｅｄｏｎｔｈｅｐａｒｅｄｂｙ５３２ｎｍｌａｓｅｒｏｎ２００ｎｍｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｆｉｌｍｇｒｏｏｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ

第２期

张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２０７

的飞秒激光在不锈钢和聚碳酸酯上制备了不同周期光栅结构，研究光栅结构对人类细胞行为的影响。结果表明，在周期为１２５μｍ的光栅结构表面，细胞被高度拉伸和对齐。周期增大为２５μｍ时，自由空间的增加使得细胞的方向性减弱。在细胞培养４天后，由于细胞的融合，导致生长趋势

２６］·

ｚｙｚ等人［采用超快激光（波长为５３２不明显。Ｃ

飞秒激光织构化的表面细人骨肉瘤细胞７天后，

胞增殖率可与经喷砂、酸腐蚀、光固化成型等商业处理的表面相媲美。同时发现，直径为４０μｍ，深度为１５μｍ的凹坑状表面，细胞粘附和增殖显著减少，这种现象可能是由于细胞的生物力学导致的。凹坑的体积和细胞尺寸相当，细胞在凹坑中生长，承受凹坑壁对细胞的压力，从而抑制了细胞

６１］

的增殖。Ｓａｂｒｉｎａ等人［使用波长为８００ｎｍ、脉

ｎｍ、脉宽为６０ｐｓ、频率为１ｋＨｚ）在聚苯乙烯上制备了周期为２５μｍ，深度不同的微沟槽结构，如图９所示，培养平滑肌细胞结果表明，深度大于７ｍ的微沟槽对细胞迁移定位效果最明显。μ

３．３　微纳结构对细胞增殖分化的影响

生物材料的表面形貌影响细胞的增殖。Ｍｕｔ

６０］

使用波长为１０３５ｎｍ、脉宽为２００ｆｓ、频ｌｕ等人［

宽为３５ｆｓ、频率为１ｋＨｚ的飞秒激光器在硅表面９μｍ，间距４８μｍ的微锥结构，加工出高度为５

如图１０所示。将其培养成纤维细胞和神经母细胞瘤细胞４８ｈ后。结果显示，微锥结构对两种细胞的增殖都有抑制作用，分析认为，这种微结构没有为细胞生长提供足够的接触面，进而抑制了细胞的增殖。以上结果表明，通过超快激光制造不同的微结构可以有效控制细胞增殖。

８ＭＨｚ的飞秒激光器在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ表面加率为２

０μｍ深度为５μｍ的沟槽结构，培养工出宽度１

图１０　硅表面的微锥结构（ａ）和细胞培养４８ｈ后的增殖量（ｂ）

Ｆｉｇ．１０　ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｓｐｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎ（ａ）ａｎｄｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｐｒｏｆｉｌｅｒａｔｉｏｎａｆｔｅｒ４８ｈｏｕｒｓｏｆｃｅｌｌｃｕｌ

（ｂ）ｔｕｒｅ

　　细胞分化是指同一来源的细胞逐渐产生出功能特征、形态结构各不相同的细胞类群的过程。ＢＭＰ２和ＢＭＰ７经常作为骨诱导因子被用于促进干细胞分化成为成骨细胞。但潜在的不良反应及高昂的费用等因素催生了使用新方法促进成骨分化的需求。微纳米结构作为一种信号形式引导细胞骨架重排，具有干细胞分化的潜

６２６３］。能［

６４］Ｄｕｍａｓ等人［采用波长为８００ｎｍ、脉宽为

构和宽度６００ｎｍ，深度为２００ｎｍ的ＬＩＰＳＳ结构。细胞培养结果显示，两种结构都能够显著提高间ＭＳＣｓ）向成骨细胞转变的能力，同时充质干细胞（

１３］

ｌｅｘａｎｄｒｅ等人［利用波长为抑制向脂肪转化。Ａ

１０３０ｎｍ、脉宽为５００ｆｓ的飞秒激光在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ上加工出ＬＩＰＳＳ结构和微锥结构，如图１１所示。ＩＰＳＳ及纳米柱阵列表面呈同心状堆叠在细胞在Ｌ

一起；在微柱及抛光表面，细胞则无序的堆叠。结果表明，材料表面的微纳结构形貌有助于基质矿化及类骨结节形成，对细胞形状会产生显著影响。因此若能合理控制细胞外环境，尤其是植入体表

１２０ｆｓ、频率为５ｋＨｚ的飞秒激光，在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ表０μｍ，深度为８００ｎｍ的微坑结面加工出直径为３

２０８

　　　　中国光学　　　　　　

至关重要。

第１２卷　

面特性，对于提高和加速骨整合质量和形成速度

图１１　细胞培养４周后，（ａ）细胞在未处理表面、ＬＩＰＳＳ、ＮＰ和ＭＣＬＩＰＳＳ细胞荧光图；（ｂ）细胞培养在ＸＯ和ＯＩ中的

荧光图；不同基体的荧光强度：ＸＯ（ｃ）和ＯＩ（ｄ）

Ｆｉｇ．１１　（ａ）Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｍａｇｅｓｏｆｃｅｌｌｃｕｌｔｕｒｅａｆｔｅｒ４ｗｅｅｋｓ，ｆｒｏｍｌｅｆｔｔｏｒｉｇｈｔａｒｅｆｏｒｐｏｌｉｓｈｅｄｓｕｒｆａｃｅ，ｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｐｅ

ｒｉｏｄｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＮＰａｎｄｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎｓｕｒｆａｃｅｓ．（ｂ）ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｍａｇｅｓｏｆｃｅｌｌｓａｒｅｃｕｌｔｕｒｅｄｉｎＸＯａｎｄＯＩ．ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓｏｆＸＯ（ｃ）ａｎｄＯＩ（ｄ）．ＸＯ：Ｘｙｌｅｎｏｌｏｒａｎｇｅ；ＯＩ：Ｏｓｔｅｏｉｍａｇｅ

　　临床研究也证实材料表面的微纳结构有利于间充质干细胞分化为骨细胞，使植入物表面形成

６５６６］更多的骨生长［，有效改善种植体的骨整合。

、频率为１ｋＨｚ的飞秒激光器在不锈钢表面分别ｆｓ

制备出了间距分别为７５、１２５和１７５μｍ的点阵结构，如图１２所示。肌成纤维细胞分化实验表明，与激光处理过的表面相比，细胞在未处理表面密度最高。结果表面，飞秒激光制造微结构可用于抑制细胞分化。在组织工程应用中，根据需求的细胞分化行为选择合适的微结构至关重要。

然而对于血管支架植入，血管内皮细胞或者平滑肌细胞在支架表面分化过快容易造成血管支架再

６７］

，因此抑制细胞分化同样也是当今生物学狭窄［

６８］

研究的重点之一。Ｍａｒｔｉｎ等人［采用脉宽为１３０

第２期

张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２０９

图１２　（ａ）培养１天和３天后，肌成纤维细胞在不同基体上的密度；（ｂ）肌成纤维细胞中等密度结构上生长出伪足；

（ｃ）肌成纤维细胞在未处理表面有大量伪足；（ｄ）图（ｃ）伪足结束部位的放大图

［４５］

Ｆｉｇ．１２　（ａ）Ｍｙｏｆｉｂｒｏｂｌａｓｔｃｅｌｌｄｅｎｓｉｔｉｅｓｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｗｈｅｎｃｅｌｌｃｕｌｔｕｒｅｄａｆｔｅｒｏｎｅｄａｙａｎｄｔｈｒｅｅｄａｙｓ．（ｂ）

ＭｙｏｆｉｂｒｏｂｌａｓｔｓｗｉｔｈｏｕｔｆｉｌｏｐｏｄｉａｇｒｏｗｉｎｇｏｎＭＤ．（ｃ）Ｍｙｏｆｉｂｒｏｂｌａｓｔｓｗｉｔｈｅｘｔｅｎｓｉｖｅｆｉｌｏｐｏｄｉａｏｎｎｏｎｔｒｅａｔｅｄｓｔｅｅｌ．（ｄ）Ｅｘｔｒａｃｔｆｒｏｍ（ｃ）：Ｄｅｔａｉｌｅｄｖｉｅｗｏｎｆｌａｔｔｅｎｅｄｒｅｇｉｏｎｓａｔｔｈｅｆｉｌｏｐｏｄｉａｅｎｄｉｎｇｓ（ａｒｒｏｗｈｅａｄｓ）．Ｎｏｎｔｒｅａｔｅｄ，Ｌｏｗ，ＭｅｄｉｕｍＤｅｎｓｉｔｙ（ＭＤ）ａｎｄＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙｓａｍｐｌｅｓＤｅｎｓｉｔｙ

动的全过程，下一步可以通过超快激光技术与电

４　结束语

　　综上所述，材料表面的微纳结构能够影响细胞的定向、迁移及增殖分化等。同时，生物材料表面的微纳结构可以通过改变细胞表面的应力分布，来影响细胞生长和凋亡。因此，研究生物材料的核心之一是模拟细胞微环境，通过仿生途径设计制造生物材料，用于诱发特定细胞的生物学性能，从而提高医用材料植入物的生物相容性。超快激光表面微纳加工技术作为一种精密和超精密的微纳制造技术，能够模仿或构建类似于生物体内的细胞外环境实现对细胞形态和分布的精准调

６９７０］

。控［

化学或光化学方法相结合，通过表面微纳结构与

７１］

表面化学性质［的共同作用，实现微纳结构对动

态细胞的迁移和运动行为的实时监测。另一方面，多种细胞的共同培养对研究细胞间的信号传导和相互作用十分重要，普通的基体很难实现几种细胞的可控共培养，而且加工效率还有待进一步提高。超快激光具有简单精确的特点，有望提供一种新型微纳制造途径，实现将微图案应用于多种细胞的共培养。同时，在细胞尺度下，细胞与材料表面拓扑结构的相互作用机理仍未得到完全解释，表面拓扑形貌的评价体系还有待完整地建立。生物相容性仍然是生物材料今后一段时期的研究重点，纳米技术与材料的研发将是生物材料领域的热点之一，利用超快激光的先进制造也将是生物材料及其制品今后的研发重点。

目前通过超快激光加工微结构对细胞行为进行控制还是静态的，大部分研究还限于细胞伪足伸展方向的选择上，不能完全涉及细胞迁移及运

２１０

　　　　中国光学　　　　　　

第１２卷　

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，２０１１，５６（８）：１１３７１１７７．ｅｎｃｅ

［３６］　ＫＬＯＣＫＥＦ，ＳＣＨＷＡＤＥＭ，ＫＬＩＮＫＡ，ｅｔａｌ．．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅｍａｇｎｅｓｉｕｍｏｎ

ｔｈｅｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＣＩＲＰ，２０１３，５：８８９３．

［３７］　ＮＴＡＳＩＡ，ＭＵＥＬＬＥＲＷＤ，ＥＬＩＡＤＥＳＧ，ｅｔａｌ．．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｃｈｉｎｉｎｇ（ＥＤＭ）ｏｎｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅ

ｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｄｅｎｔａｌａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＤｅｎｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２６（１２）：ｅ２３７ｅ２４５．

［３８］　ＰＡＲＫＨＷ，ＬＥＥＩ．ＬａｒｇｅｐｕｌｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔＰＭＭＡ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，

２０１４，３０８：３１１３１５．

［３９］　ＫＩＭＪ，ＬＥＥＷＪ，ＰＡＲＫＨＷ．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒ

ｎａｌｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１６，１７（１１）：１５７５１５８５．

［４０］　ＢＡＥＨ，ＣＨＵＨＨ，ＥＤＡＬＡＴＦ，ｅｔａｌ．．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｍｉｃｒｏａｎｄｎａｎｏｓｃａｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒ

［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｉｓｓｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＭｅｄｉｃｉｎｅ，２０１４，８ｔｉｓｓｕｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｄｒｕｇｄｅｌｉｖｅｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（１）：１１４．

［４１］　ＤＵＢＥＹＡＫ，ＹＡＤＡＶＡＶ．ＬａｓｅｒｂｅａｍｍａｃｈｉｎｉｎｇＡｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓａｎｄＭａｎｕｆａｃ

２１２

ｔｕｒｅ，２００８，４８（６）：６０９６２８．

　　　　中国光学　　　　　　

第１２卷　

［４２］　ＭＥＩＪＥＲＪ．Ｌａｓｅｒｂｅａｍｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＬＢＭ），ｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔａｎｄｎｅｗｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，１４９（１）：２１７．

［４３］　ＤＩＮＧＫ，ＹＥＬ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｌａｓｅｒｓｈｏｃｋｐｅｅｎｉｎｇｏｆａ３５ＣＤ４ｓｔｅｅｌａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，１７８（１３）：１６２１６９．

［４４］　ＹＯＵＭＨ，ＫＷＡＫＭＫ，ＫＩＭＤＨ，ｅｔａｌ．．Ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃａｌｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｏｓｔｅｏｇｅｎｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｍｅｓｅｎｃｈｙｍａｌ

［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２０１０，１１（７）：１８５６１８６２．ｓｔｅｍｃｅｌｌｓｂｙｃｕｌｔｕｒｅｏｎｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｅｄｉａ

［４５］　ＨＵＹ，ＣＡＩＫＹ，ＬＵＯＺＨ，ｅｔａｌ．．Ｓｕｒｆａｃｅｍｅｄｉａｔｅｄｉｎｓｉｔｕｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｆｍｅｓｅｎｃｈｙｍａｌｓｔｅｍｃｅｌｌｓｏｎｇｅｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ

ｉｚｅｄｔｉｔａｎｉｕｍｆｉｌｍｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｌａｙｅｒｂｙｌａｙｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００９，３０（２１）：３６２６３６３５．

［４６］　ＭＥＹＥＲＵ，ＢＵＣＨＴＥＲＡ，ＷＩＥＳＭＡＮＮＨＰ，ｅｔａｌ．．Ｂａｓｉｃｒｅａｃｔｉｏｎｓｏｆｏｓｔｅｏｂｌａｓｔｓｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．

ＥｕｒｏｐｅａｎＣｅｌｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，９：３９４９．

［４７］　ＨＡＬＬＧＲＥＮＣ，ＲＥＩＭＥＲＳＨ，ＣＨＡＫＡＲＯＶＤ，ｅｔａｌ．．Ａｎｉｎｖｉｖｏｓｔｕｄｙｏｆｂｏｎｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｉｍｐｌａｎｔｓｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙｍｏｄ

［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００３，２４（５）：７０１７１０．ｉｆｉｅｄｂｙｌａｓｅｒｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ

［４８］　ＲＡＮＥＬＬＡＡ，ＢＡＲＢＥＲＯＧＬＯＵＭ，ＢＡＫＯＧＩＡＮＮＩＳ，ｅｔａｌ．．Ｔｕｎｉｎｇｃｅｌｌａｄｈｅｓｉｏｎｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｗｅｔｔａ

ｂｉｌｉｔｙｏｆ３Ｄｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｉｌｉｃｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＢｉｏｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２０１０，６（７）：２７１１２７２０．

［４９］　ＮＵＵＴＩＮＥＮＴ，ＳＩＬＶＥＮＮＯＩＮＥＮＭ，ＰＡＩＶＡＳＡＡＲＩＫ，ｅｔａｌ．．Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｕｌｔｕｒｅｄｈｕｍａｎｃｅｌｌｓｗｉｔｈｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａ

ｔｅｄｐａｔｔｅｒｎｓｏｎｓｔｅｅｌａｎｄｐｌａｓｔｉｃｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＭｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ，２０１３，１５（２）：２７９２８８．

［５０］　ＮＡＫＡＭＵＲＡＫ，ＫＥＡＴＩＮＧＪＨ，ＥＤＥＬＭＡＮＥＲ．Ｐａｔｈｏｌｏｇｙｏｆｅｎｄｏｖａｓｃｕｌａｒｓｔｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌＣａｒｄｉｏｌｏｇｙＣｌｉｎ

，２０１６，５（３）：３９１４０３．ｉｃｓ

［５１］　ＭＣＤＡＮＩＥＬＣ，ＧＬＡＤＫＯＶＳＫＡＹＡＯ，ＦＬＡＮＡＧＡＮＡ，ｅｔａｌ．．ＩｎｖｉｔｒｏｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＲＡＷ２６４．７ａｎｄＭＳ５ｆｉ

ｂｒｏｂｌａｓｔｃｅｌｌｓｏｎｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｐｅｒｉｏｄｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＲＳＣＡｄｖａｎｃｅｓ，２０１５，５（５３）：４２５４８４２５５８．

［５２］　ＷＡＮＧＸＦ，ＯＨＬＩＮＣＡ，ＬＵＱＨ，ｅｔａｌ．．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｓｅｒｍｏｄｉｆｉｅｄｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｏｎｂｏｖｉｎｅ

ｓｅｒｕｍａｌｂｕｍｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｒａｔＣ６ｇｌｉｏｍａｃｅｌｌｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＰａｒｔＡ，２００６，７８Ａ（４）：７４６７５４．

［５３］　ＹＩＡＮＮＡＫＯＵＣ，ＳＩＭＩＴＺＩＣ，ＭＡＮＯＵＳＡＫＩＡ，ｅｔａｌ．．Ｃｅｌｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｖｉａｌａｓｅｒｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｉｌｉｃｏｎｓｕｒｆａｃｅｓ

［Ｊ］．Ｂｉｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，２０１７，９（２）：０２５０２４．

［５４］　ＮＧＵＹＥＮＡＴ，ＳＡＴＨＥＳＲ，ＹＩＭＥＫＦ．Ｆｒｏｍｎａｎｏｔｏｍｉｃｒｏ：ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌｓｃａｌｅａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｏｎｃｅｌｌａｄｈｅｓｉｏｎ，ｍｏｒ

ｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｃｏｎｔａｃｔｇｕｉｄａｎｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ：ＣｏｎｄｅｎｓｅｄＭａｔｔｅｒ，２０１６，２８（１８）：１８３００１．

［５５］　ＷＡＬＬＡＴＫ，Ｄ?ＲＲＤ，ＬＥＨＡＲＺＩＣＲ，ｅｔａｌ．．Ｃｅｌｌｕｌａｒｒｅａｃｔｉｏｎｓｔｏｗａｒｄｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｉｌｉｃｏｎｓｕｒｆａｃｅｓｃｒｅａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒ

［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｓｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２，２４（４）：０４２０１６．ａｂｌａｔｉｏｎ

［５６］　ＹＡＮＧＭ，ＬＩＭＣＣ，ＬＩＡＯＲＬ，ｅｔａｌ．．Ｏｒｉｅｎｔｅｄａｎｄｖｅｃｔｏｒｉａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｏｆｃａｒｄｉａｃｍｙｏｃｙｔｅｓｕｓｉｎｇａｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｄｉｅｌｅｃ

—ｔｏｗａｒｄｓｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃａｒｄｉａｃｔｉｓｓｕｅｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓｃｈｉｐｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，２００６，１５（６）：１４８３１４９１．

［５７］　ＳＴＥＰＡＫＢＤ，ＬＥＣＫＡＫＭ，ＰＬＯＮＥＫＴ，ｅｔａｌ．．Ｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｐｅｒｉｏｄｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｐｙｒｏｌｙｔｉｃｃａｒｂｏｎｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ

［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，２０１６，１０１５９：１０１５９０Ｊ．ｈｅａｒｔｖａｌｖｅ

［５８］　ＲＵＳＥＮＬ，ＣＡＺＡＮＭ，ＭＵＳＴＡＣＩＯＳＵＣ，ｅｔａｌ．．Ｔａｉｌｏｒｅｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｂｙｕｌｔｒａｆａｓｔｌａｓｅｒｓｆｏｒ

ｃｅｌｌｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４，３０２：２５６２６１．

［５９］　郑庭．钛系材料微纳结构表面成骨细胞及胶原蛋白吸附机理研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１７．

ＺＨＥＮＧＴ．Ａｄｓｒｏｔｐｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｓｔｅｏｂｌａｓｔｓａｎｄｃｏｌｌａｇｅｎｏｎｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＴｉｍａｔｅｒｉａｌｓｕｒｆａｃｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

［６０］　ＥＲＤＯＧＡＮＭ，?ＫＴＥＭＢ，ＫＡＬＡＹＣＩＯＧＬＵＨ，ｅｔａｌ．．Ｔｅｘｔｕｒｉｎｇｏｆｔｉｔａｎｉｕｍ（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）ｍｅｄｉｃａｌｉｍｐｌａｎｔｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈ

［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１１，１９（１１）：１０９８６１０９９６．ＭＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄａｎｄｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄＹｂｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ

［６１］　ＳＣＨＬＩＥＳ，ＦＡＤＥＥＶＡＥ，ＫＯＣＨＪ，ｅｔａｌ．．Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｐｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｅｌｌｕｌａｒ

ｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，２５（３）：２１７２３３．

第２期

张佳茹，等：超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

２１３

［６２］　ＷＡＮＧＹ，ＪＩＡＮＧＸＬ，ＹＡＮＧＳＣＨ，ｅｔａｌ．．ＭｉｃｒｏＲＮＡｓｉｎｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆＭＳＣｓｃｕｌｔｕｒｅｄｏｎｍｉ

ｃｒｏｇｒｏｏｖｅｄｓｕｒｆａｃｅｐａｔｔｅｒｎ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１１，３２（３５）：９２０７９２１７．

［６３］　ＷＡＴＡＲＩＳ，ＨＡＹＡＳＨＩＫ，ＷＯＯＤＪＡ，ｅｔａｌ．．ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｓｔｅｏｇｅｎｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｉｎｈＭＳＣｓｃｅｌｌｓｂｙｓｕｂｍｉｃｒｏｎｔｏｐｏ

［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，３３（１）：１２８１３６．ｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙｐａｔｔｅｒｎｅｄｒｉｄｇｅｓａｎｄｇｒｏｏｖｅｓ

［６４］　ＤＵＭＡＳＶ，ＧＵＩＧＮＡＮＤＯＮＡ，ＶＩＣＯＬ，ｅｔａｌ．．Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｍｅｓｅｎ

ｃｈｙｍａｌｓｔｅｍｃｅｌｌａｄｈｅｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｉｔｍｅｎｔ［Ｊ］．ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１５，１０（５）：０５５００２．

［６５］　ＳＨＡＬＡＢＩＭＭ，ＧＯＲＴＥＭＡＫＥＲＡ，ＨＯＦＭＡＶ，ｅｔａｌ．．Ｉｍｐｌａｎｔｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｂｏｎｅｈｅａｌｉｎｇ：ａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｖｉｅｗ

［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，２００６，８５（６）：４９６５００．

［６６］　ＢＥＣＫＥＲＪ，ＫＩＲＳＣＨＡ，ＳＣＨＷＡＲＺＦ，ｅｔａｌ．．Ｂｏｎｅａｐｐｏｓｉｔｉｏｎｔｏｔｉｔａｎｉｕｍｉｍｐｌａｎｔｓｂｉｏｃｏａｔｅｄｗｉｔｈｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔｈｕｍａｎ

ｂｏｎｅｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｔｅｉｎ２（ｒｈＢＭＰ２）．Ａｐｉｌｏｔｓｔｕｄｙｉｎｄｏｇｓ［Ｊ］．ＣｌｉｎｉｃａｌＯｒａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ，２００６，１０（３）：２１７２２４．

［６７］　杨菁．纳米控释系统的制备及在血管再狭窄和肿瘤治疗中的应用［Ｄ］．北京：北京协和医学院，２０１３．

ＹＡＮＧＪ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｌｅａｓｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｒｅｓｔｅｎｏｓｉｓａｎｄｔｕｍｏｒｔｈｅｒａｐｙ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｏｎＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，２０１３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

６８］　ＯＢＥＲＲＩＮＧＥＲＭ，ＡＫＭＡＮＥ，ＬＥＥＪ，ｅｔａｌ．．Ｒｅｄｕｃｅｄｍｙｏｆｉｂｒｏｂｌａｓｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｎｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｔｒｅａｔｅｄ３１６ＬＳ［

ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｃ，２０１３，３３（２）：９０１９０８．

［６９］　ＬＥＥＭＲ，ＫＷＯＮＫＷ，ＪＵＮＧＨ，ｅｔａｌ．．Ｄｉｒｅｃｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｅｍｂｒｙｏｎｉｃｓｔｅｍｃｅｌｌｓｉｎｔｏｓｅｌｅｃｔｉｖｅｎｅｕｒｏｎｓｏｎ

ｎａｎｏｓｃａｌｅｒｉｄｇｅ／ｇｒｏｏｖｅｐａｔｔｅｒｎａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，３１（１５）：４３６０４３６６．

［７０］　ＹＩＭＥＫＦ，ＰＡＮＧＳＷ，ＬＥＯＮＧＫＷ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｄｕｃｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｍｅｓｅｎｃｈｙｍａｌｓｔｅｍ

［Ｊ］．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＣｅｌｌＲｅｓｅａｒｃｈ，２００７，３１３（９）：１８２０１８２９．ｃｅｌｌｓｉｎｔｏｎｅｕｒｏｎａｌｌｉｎｅａｇｅ

［７１］　ＶＥＤＵＬＡＳＲＫ，ＲＡＶＡＳＩＯＡ，ＡＮＯＮＥ，ｅｔａｌ．．ＭｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｔｏＳｔｕｄｙＣｏｌｌｅｃｔｉｖｅＣｅｌｌＢｅｈａｖｉｏｒｓ［Ｍ］．

ＭｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｉｎＣｅｌｌＢｉｏｌｏｇｙＰａｒｔＢ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ：ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，２０１４．

作者简介：

张佳茹（１９８８—），女，河北石家庄人，博士研究生，２０１７年于江西理工大学获得硕士学位，２０１８年于北京航空航天大学攻读博士学位，主要从事激光微纳制造方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｉａｒｕ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ

管迎春（１９８３—），女，安徽合肥人，博士生导师，２００７年于清华大学获得硕士学位，２０１１年于新加坡南洋理工大学获得博士学位，北京航空航天大学机械学院教授，中组部第十二批青年千人，主要从事激光微细制造、激光增材制造等方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｇｕａｎｙｉｎｇｃｈｕｎ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ