張佳茹，管迎春,2,3,4*

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué) 國(guó)際交叉研究院，北京 100191；4.北京航空航天大學(xué) 合肥創(chuàng)新研究院，合肥 230013)

1 引 言

生物材料(biomaterials)是指用于與生命系統(tǒng)接觸且發(fā)生相互作用的，能對(duì)器官、組織和細(xì)胞進(jìn)行替換修復(fù)、診斷治療或誘導(dǎo)再生的一類人工合成或天然的特殊功能性材料，又稱生物醫(yī)用材料[1]。近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、修復(fù)、治療、或替代人體組織器官等[2]。隨著醫(yī)療水平的發(fā)展，對(duì)醫(yī)學(xué)材料及新的醫(yī)療設(shè)備提出了更高的要求，可植入人體的生物材料在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的作用越來(lái)越重要。然而臨床結(jié)果顯示，幾乎所有的植入醫(yī)療器械都會(huì)在人體中產(chǎn)生不同程度的不良反應(yīng)，包括纖維變性、炎癥、感染、血栓等[3-5]。為了提高醫(yī)療植入材料的安全性，生物相容性成為植入生物材料的基本要求。

生物相容性是指醫(yī)療植入材料在生物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，能耐受宿主各系統(tǒng)的作用而保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)、不被排斥或破壞的生物學(xué)特性，包括血液相容性和組織相容性[6]。人體組織對(duì)植入物進(jìn)行的生物學(xué)反應(yīng)，通常發(fā)生在材料與生物體接觸的界面，包括細(xì)胞表面-細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞表面-植入材料表面等[7]。細(xì)胞是維持生命的基本單元，也是組織修復(fù)的基本物質(zhì)[8]。因此，生物相容性的好壞不僅依賴于材料本身，還和與人體細(xì)胞直接接觸的材料表面的性能密切相關(guān)，包括材料表面的結(jié)構(gòu)、成分、表面形貌、親疏水性及表面的能量狀態(tài)等[9]。通過(guò)生物、化學(xué)和物理等方法改善材料表面的性質(zhì)，可以在不改變材料本身物理性能的前提下，大幅度提升醫(yī)療植入物與生物體的生物相容性。從材料學(xué)角度，生物材料表面的微結(jié)構(gòu)決定了材料性能，所以可以通過(guò)在材料表面制備微結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞行為，從而改善植入物的生物相容性[10]。

1912年，Harrison等人[11]最早報(bào)道了通過(guò)材料表面微結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞行為。此后，大量研究開始著重于利用表面形貌來(lái)引導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)和發(fā)育。微制造技術(shù)為細(xì)胞行為的研究提供了重要手段，微制造表面的細(xì)胞行為在生物醫(yī)學(xué)研究方面發(fā)展快速[12]。近年來(lái)，超快激光已成功在醫(yī)用生物材料與器械的表面誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞行為[13-15]，用于提高其生物相容性。已有研究在細(xì)胞對(duì)不同微納結(jié)構(gòu)的反應(yīng)方面取得了顯著的進(jìn)步。本文簡(jiǎn)單介紹了細(xì)胞與生物材料相互作用原理，綜述了近年來(lái)超快激光加工微納結(jié)構(gòu)在生物材料領(lǐng)域的研究及其最新進(jìn)展。

2 生物材料表面與細(xì)胞的相互作用

細(xì)胞生物學(xué)行為包括粘附、遷移、增殖、分化等。細(xì)胞的這些行為很大程度上依賴于周圍的微環(huán)境，包括細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)、相鄰細(xì)胞、可溶性生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子等，它們均可被視為細(xì)胞賴以生存的“材料”[16-18]。通過(guò)在生物材料表面制造微納結(jié)構(gòu)，來(lái)模仿細(xì)胞生長(zhǎng)的自然環(huán)境，使細(xì)胞在與有機(jī)活體相似的環(huán)境中生長(zhǎng)[19]。

當(dāng)生物材料和細(xì)胞接觸時(shí)，材料表面首先吸附的是細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，如圖1所示[20]，它們能夠積聚到植入材料的表面形成結(jié)合牢固的吸附物，用于引導(dǎo)細(xì)胞粘附[21]。由圖1可知，生物材料通過(guò)表面吸附的蛋白，表面沉積的細(xì)胞外基質(zhì)，表面的生物粘附片段，與細(xì)胞表面的整聯(lián)蛋白發(fā)生作用，介導(dǎo)細(xì)胞在生物材料表面的粘附。細(xì)胞在材料表面粘附后，進(jìn)行爬行的行為，稱為細(xì)胞遷移[22]。細(xì)胞遷移大致包括4步如圖2所示。高等動(dòng)物的傷口愈合、血液凝固、免疫應(yīng)答、組織發(fā)育等多種生命活動(dòng)都與細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。細(xì)胞在材料表面進(jìn)行良好粘附后，會(huì)通過(guò)一系列有序的過(guò)程完成繁殖，其中干細(xì)胞在繁殖過(guò)程中，會(huì)受周圍環(huán)境影響分化為不同類型的細(xì)胞。此時(shí)，細(xì)胞的形狀不僅與外觀相關(guān)，而且與細(xì)胞的生存環(huán)境和功能活動(dòng)密切相關(guān)。

圖1 細(xì)胞與合成材料粘附的控制機(jī)制[23]Fig.1 Mechanisms controlling cell adhesion to synthetic materials[23]

圖2 細(xì)胞遷移過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic illustration of cell migration

3 激光加工微納結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為的影響

在生物材料表面制造微納結(jié)構(gòu)，模擬ECM真實(shí)形貌來(lái)控制細(xì)胞生物學(xué)行為，是提高材料生物相容性的有效手段。但傳統(tǒng)的微納米加工手段在結(jié)構(gòu)靈活性、加工效率、成品率等方面，都存在較大缺陷，極大地限制了生物材料表面微結(jié)構(gòu)制備技術(shù)的發(fā)展，表1給出了幾種不同典型微納加工方法制備生物材料的優(yōu)缺點(diǎn)。近年來(lái)，通過(guò)超快激光制造出微納米級(jí)別尺寸的材料以改善材料的生物相容性，這種方法已被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前利用超快激光已成功在不同生物材料表面加工出如圖3所示的多種微納結(jié)構(gòu)[24-28]。

表1 微細(xì)加工生物材料方法對(duì)比

圖3 超快激光加工的微納結(jié)構(gòu)Fig.3 Periodic micro/nano structures fabricated by ultrafast laser

3.1 微納結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞粘附的影響

當(dāng)生物材料與人體組織直接接觸時(shí)，首先進(jìn)行細(xì)胞粘附。研究表明，微納結(jié)構(gòu)表面可以提供一種比平面表面更好的細(xì)胞附著點(diǎn)[44-47]。Ranella等人[48]利用波長(zhǎng)為800 nm、脈寬為15 fs、頻率1 000 kHz的飛秒激光輻照硅片表面，通過(guò)改變激光的能量密度，獲得了具有不同表面粗糙度的微錐結(jié)構(gòu)，如圖4所示。結(jié)果表明，在粗糙度比為2.6的情況下，纖維細(xì)胞對(duì)表面具有最佳的粘附性。不同類型的細(xì)胞，其生長(zhǎng)特性不同，對(duì)最佳粘附粗糙度要求也不同。Alexandre等人[13]利用同樣方法在Ti-6Al-4V上加工微結(jié)構(gòu)，并研究了其對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響。結(jié)果顯示，拋光面更有利于細(xì)胞粘附。以上研究表明，不同細(xì)胞在不同材料表面達(dá)到最佳粘附時(shí)的表面粗糙度不同。

圖4 未經(jīng)處理的硅片以及經(jīng)過(guò)不同能量密度的飛秒激光處理的硅片表面微觀形貌圖(a)和在與(a)對(duì)應(yīng)表面上，纖維細(xì)胞生長(zhǎng)72 h之后的熒光顯微圖像(b)Fig.4 Microstructure topography of untreated Si wafers and wafers treated by femtosecond lasers with different energy densities(a) and fluorescence microscoy images(b) of fiber cells after 72 hours of growth on the corresponding surface (a)

血管支架植入是治療動(dòng)脈硬化等血管疾病的有效手段。然而，血管支架植入后，由于血小板過(guò)度增殖會(huì)出現(xiàn)血栓、再狹窄等并發(fā)癥[49]。利用超快激光對(duì)支架表面進(jìn)行修飾，控制細(xì)胞在支架表面的粘附，可有效避免血管支架植入后并發(fā)癥的產(chǎn)生。Clare等人[50]采用脈寬為500 fs、頻率為100 kHz、波長(zhǎng)分別為1 030 nm及515 nm的飛秒激光，在不銹鋼表面誘導(dǎo)出周期為360 nm、深度為78 nm、粗糙度為29 nm及周期為730 nm、深度為142 nm粗糙度為48 nm的兩種激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)(Laser Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)，并研究了兩種周期結(jié)構(gòu)對(duì)成纖維細(xì)胞(MS-5)和單核細(xì)胞(RAW 264.7)的影響，如圖5所示。結(jié)果顯示，粗糙度為幾納米的平面表面有利于RAW 264.7粘附，而MS-5更傾向粘附在粗糙度約為50 nm的LIPSS結(jié)構(gòu)上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)周期和深度的增加會(huì)降低細(xì)胞的粘附性。結(jié)果還表明，微結(jié)構(gòu)表面不利于血細(xì)胞粘附，從而較少產(chǎn)生凝血的機(jī)會(huì)，提高了血管支架的血液相容性。

圖6 (a)SW10細(xì)胞培養(yǎng)在：(i)未處理硅表面，(ii)～(v)不同激光能量密度加工表面的細(xì)胞熒光圖；(b)培養(yǎng)3天后，SW10細(xì)胞在不同表面的數(shù)量Fig.6 (a)Fluorescence microscopy images of SW10 cells cultured on untreated Si(i), patterned Si substrates fabricated at different laser desities(ii-v). (b)Number of SW10 cells growing on the laser-patterned Si substrates for 3 days of culture(DOC)

材料表面的表面能、微結(jié)構(gòu)類型等也是影響細(xì)胞在材料表面粘附的重要因素。Wang等人[51]使用波長(zhǎng)為266 nm激光在聚苯乙烯上誘導(dǎo)出周期為250 nm，深度為60 nm的LIPSS結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)激光處理后材料的表面能是未處理表面的1.5倍。同時(shí)，微結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了材料表面積，增加了蛋白質(zhì)的吸附，顯著增強(qiáng)了細(xì)胞的粘附性能。Yiannakou等人[52]使用波長(zhǎng)為800 nm、脈寬為150 fs、頻率為1 kHz的飛秒激光在硅上誘導(dǎo)出周期為146 nm的納米波紋結(jié)構(gòu)和周期為140 nm，高度為2～11 nm的分層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。通過(guò)在不同微結(jié)構(gòu)表面培養(yǎng)雪旺式細(xì)胞(SW10)，發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞粘附起到了抑制效果，但分層的微納結(jié)構(gòu)可顯著提升細(xì)胞的粘附性能。利用超快激光改變生物材料表面微納結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善材料表面性能，是一種有效控制細(xì)胞粘附性能的方法。

3.2 微納結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移、定向的影響

大量組織都具有微米或納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如心肌組織和血管呈現(xiàn)為有序排列的纖維狀結(jié)構(gòu)，因此細(xì)胞的定向生長(zhǎng)在醫(yī)療植入物功能組織中具有重要意義。細(xì)胞在植入物材料表面良好粘附后，可通過(guò)精確控制細(xì)胞在材料表面的遷移行為，實(shí)現(xiàn)類似于生物體組織器官細(xì)胞的分布和取向。目前超快激光微納制造技術(shù)已被用于模仿或構(gòu)建類似于生物體內(nèi)的細(xì)胞外環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞形態(tài)和分布的精準(zhǔn)調(diào)控[53]。

圖7 培養(yǎng)48 h后，hMSC細(xì)胞在硅表面的細(xì)胞遷移，黑色區(qū)域?yàn)榧す饧庸^(qū)域Fig.7 After 48 hours of culture, hMSC cells migration on the Si surface(dark areas are laser processing areas)

通過(guò)生物材料表面微觀結(jié)構(gòu)控制成骨細(xì)胞排列對(duì)于實(shí)現(xiàn)骨骼各向異性至關(guān)重要。Wallat等人[54]利用波長(zhǎng)為1 060 nm、脈寬為140 fs、頻率為80 MHz的飛秒激光在硅表面加工出周期為100 nm的LIPSS結(jié)構(gòu)。hMSCs培養(yǎng)初期，細(xì)胞均勻分布在LIPSS區(qū)域和平面區(qū)域，48 h后，LIPSS區(qū)域的細(xì)胞向平面區(qū)域遷移，如圖7所示。研究表明激光微納加工可以有效引導(dǎo)骨細(xì)胞遷移，有助于實(shí)現(xiàn)骨的各向異性。心臟的本質(zhì)特征是功能的各向異性，這一特征對(duì)維持心臟的機(jī)械活性、電活性及幫助血液從心臟有效泵出極為重要[55]。熱解碳作為人工心臟的優(yōu)選材料，需要滿足功能的各向異性。目前St?pak等人[56]利用波長(zhǎng)為1 030 nm、脈寬為450 fs、頻率為100 kHz及波長(zhǎng)為1 064 nm、脈寬為15 ps、頻率為100 kHz的兩種超快激光器，在熱解碳材料上加工出90～860 nm的LIPSS結(jié)構(gòu)，但能否通過(guò)其表面微納結(jié)構(gòu)控制細(xì)胞定向排列，實(shí)現(xiàn)心臟功能的各向異性，有待進(jìn)一步研究。

生物材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征是誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生特定行為的關(guān)鍵因素，為了進(jìn)一步觀察材料表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移定向的影響，Rusen等人[57]通過(guò)飛秒激光器(波長(zhǎng)為775 nm、脈寬為200 fs、頻率為2 kHz的)在殼聚糖薄膜上制備了氣泡結(jié)構(gòu)，并研究了不同氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞的粘附和定向生長(zhǎng)行為的影響，結(jié)果如圖8所示。可見(jiàn)氣泡高度小于200 nm，對(duì)細(xì)胞行為幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)氣泡高度大于3 μm時(shí)，細(xì)胞早期的生長(zhǎng)行為將受到影響。當(dāng)氣泡間距大于40 μm時(shí)，細(xì)胞行為幾乎沒(méi)有受到影響，當(dāng)氣泡間距在細(xì)胞長(zhǎng)度范圍內(nèi)(10～30 μm)時(shí)，細(xì)胞出現(xiàn)沿著氣泡方向生長(zhǎng)的趨勢(shì)。但是這種影響只出現(xiàn)在細(xì)胞生長(zhǎng)初期，細(xì)胞培養(yǎng)24 h后，由于細(xì)胞的融合，生長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。

圖8 OLN細(xì)胞在(a)未處理表面；(b)不同高度氣泡結(jié)構(gòu)表面;(c)高度200 nm的汽泡結(jié)構(gòu)表面和(d)高度3 μm汽泡結(jié)構(gòu)表面的細(xì)胞遷移。黑色箭頭顯示了細(xì)胞在最初的12 h內(nèi)具有良好的方向性Fig.8 Optical microscopy images of OLN cells cultured on (a)unstructured control chitosan surface, on (b)bubbles like structures array, and with bubble height of 200 nm(c) and 3μm(d). Black arrows indicate the cell directionality encouraged in its early stages(first 12 h) on CS structures

圖9 (a)激光(532 nm)在200 nm聚苯乙烯薄膜上制備的周期為25 μm，深度分別為<4 μm、4～6 μm和>7 μm的溝槽結(jié)構(gòu)；(b)平滑肌細(xì)胞培養(yǎng)在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)上的熒光圖Fig.9 (a)Groove structures with period of 25 μm and depth less than 4 μm, during in 4-6 μm, more than 7 μm, prepared by 532 nm laser on 200 nm polystyrene film; (b)fluorescence images of smooth muscle cells cultured on the groove structures

3.3 微納結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞增殖分化的影響

生物材料的表面形貌影響細(xì)胞的增殖。Mutlu 等人[60]使用波長(zhǎng)為1 035 nm、脈寬為200 fs、頻率為28 MHz的飛秒激光器在Ti-6Al-4V表面加工出寬度10 μm深度為5 μm的溝槽結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)人骨肉瘤細(xì)胞7天后，飛秒激光織構(gòu)化的表面細(xì)胞增殖率可與經(jīng)噴砂、酸腐蝕、光固化成型等商業(yè)處理的表面相媲美。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，直徑為40 μm，深度為15 μm的凹坑狀表面，細(xì)胞粘附和增殖顯著減少，這種現(xiàn)象可能是由于細(xì)胞的生物力學(xué)導(dǎo)致的。凹坑的體積和細(xì)胞尺寸相當(dāng)，細(xì)胞在凹坑中生長(zhǎng)，承受凹坑壁對(duì)細(xì)胞的壓力，從而抑制了細(xì)胞的增殖。Sabrina等人[61]使用波長(zhǎng)為800 nm、脈寬為35 fs、頻率為1 kHz的飛秒激光器在硅表面加工出高度為5.9 μm，間距4.8 μm的微錐結(jié)構(gòu)，如圖10所示。將其培養(yǎng)成纖維細(xì)胞和神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞48 h后。結(jié)果顯示，微錐結(jié)構(gòu)對(duì)兩種細(xì)胞的增殖都有抑制作用，分析認(rèn)為，這種微結(jié)構(gòu)沒(méi)有為細(xì)胞生長(zhǎng)提供足夠的接觸面，進(jìn)而抑制了細(xì)胞的增殖。以上結(jié)果表明，通過(guò)超快激光制造不同的微結(jié)構(gòu)可以有效控制細(xì)胞增殖。

圖10 硅表面的微錐結(jié)構(gòu)(a)和細(xì)胞培養(yǎng)48 h后的增殖量(b)Fig.10 SEM images of spike structures fabricated on silicon(a) and the amount of profileration after 48 hours of cell culture(b)

細(xì)胞分化是指同一來(lái)源的細(xì)胞逐漸產(chǎn)生出功能特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)各不相同的細(xì)胞類群的過(guò)程。BMP-2和BMP-7經(jīng)常作為骨誘導(dǎo)因子被用于促進(jìn)干細(xì)胞分化成為成骨細(xì)胞。但潛在的不良反應(yīng)及高昂的費(fèi)用等因素催生了使用新方法促進(jìn)成骨分化的需求。微納米結(jié)構(gòu)作為一種信號(hào)形式引導(dǎo)細(xì)胞骨架重排，具有調(diào)控干細(xì)胞分化的潛能[62-63]。

Dumas等人[64]采用波長(zhǎng)為800 nm、脈寬為120 fs、頻率為5 kHz的飛秒激光，在Ti-6Al-4V表面加工出直徑為30 μm，深度為800 nm的微坑結(jié)構(gòu)和寬度600 nm，深度為200 nm的LIPSS結(jié)構(gòu)。細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示，兩種結(jié)構(gòu)都能夠顯著提高間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變的能力，同時(shí)抑制向脂肪轉(zhuǎn)化。Alexandre等人[13]利用波長(zhǎng)為1 030 nm、脈寬為500 fs的飛秒激光在Ti-6Al-4V上加工出LIPSS結(jié)構(gòu)和微錐結(jié)構(gòu)，如圖11所示。細(xì)胞在LIPSS及納米柱陣列表面呈同心狀堆疊在一起；在微柱及拋光表面，細(xì)胞則無(wú)序的堆疊。結(jié)果表明，材料表面的微納結(jié)構(gòu)形貌有助于基質(zhì)礦化及類骨結(jié)節(jié)形成，對(duì)細(xì)胞形狀會(huì)產(chǎn)生顯著影響。因此若能合理控制細(xì)胞外環(huán)境，尤其是植入體表面特性，對(duì)于提高和加速骨整合質(zhì)量和形成速度至關(guān)重要。

圖11 細(xì)胞培養(yǎng)4周后，(a)細(xì)胞在未處理表面、LIPSS、NP和MC-LIPSS細(xì)胞熒光圖；(b)細(xì)胞培養(yǎng)在XO和OI中的熒光圖；不同基體的熒光強(qiáng)度：XO(c)和OI(d)Fig.11 (a)Fluorescence images of cell culture after 4 weeks, from left to right are for polished surface, laser-induced periodic surface structures, NP and microcolumn surfaces. (b)Fluorescence images of cells are cultured in XO and OI. Fluorescence intensities of XO(c) and OI(d). XO:Xylenol orange; OI:Osteo image

臨床研究也證實(shí)材料表面的微納結(jié)構(gòu)有利于間充質(zhì)干細(xì)胞分化為骨細(xì)胞，使植入物表面形成更多的骨生長(zhǎng)[65-66]，有效改善種植體的骨整合。然而對(duì)于血管支架植入，血管內(nèi)皮細(xì)胞或者平滑肌細(xì)胞在支架表面分化過(guò)快容易造成血管支架再狹窄[67]，因此抑制細(xì)胞分化同樣也是當(dāng)今生物學(xué)研究的重點(diǎn)之一。Martin等人[68]采用脈寬為130 fs、頻率為1 kHz的飛秒激光器在不銹鋼表面分別制備出了間距分別為75、125和175 μm的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖12所示。肌成纖維細(xì)胞分化實(shí)驗(yàn)表明，與激光處理過(guò)的表面相比，細(xì)胞在未處理表面密度最高。結(jié)果表面，飛秒激光制造微結(jié)構(gòu)可用于抑制細(xì)胞分化。在組織工程應(yīng)用中，根據(jù)需求的細(xì)胞分化行為選擇合適的微結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

圖12 (a)培養(yǎng)1天和3天后，肌成纖維細(xì)胞在不同基體上的密度；(b)肌成纖維細(xì)胞中等密度結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)出偽足；(c)肌成纖維細(xì)胞在未處理表面有大量偽足；(d)圖(c)偽足結(jié)束部位的放大圖Fig.12 (a)Myofibroblast[45]cell densities on the different substrates when cell cultured after one day and three days. (b)Myofibroblasts without filopodia growing on MD. (c)Myofibroblasts with extensive filopodia on non-treated steel. (d)Extract from (c): Detailed view on flattened regions at the filopodia endings(arrowheads). Non-treated, Low Density, Medium Density(MD) and High Density samples

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，材料表面的微納結(jié)構(gòu)能夠影響細(xì)胞的定向、遷移及增殖分化等。同時(shí)，生物材料表面的微納結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變細(xì)胞表面的應(yīng)力分布，來(lái)影響細(xì)胞生長(zhǎng)和凋亡。因此，研究生物材料的核心之一是模擬細(xì)胞微環(huán)境，通過(guò)仿生途徑設(shè)計(jì)制造生物材料，用于誘發(fā)特定細(xì)胞的生物學(xué)性能，從而提高醫(yī)用材料植入物的生物相容性。超快激光表面微納加工技術(shù)作為一種精密和超精密的微納制造技術(shù)，能夠模仿或構(gòu)建類似于生物體內(nèi)的細(xì)胞外環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞形態(tài)和分布的精準(zhǔn)調(diào)控[69-70]。

目前通過(guò)超快激光加工微結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為進(jìn)行控制還是靜態(tài)的，大部分研究還限于細(xì)胞偽足伸展方向的選擇上，不能完全涉及細(xì)胞遷移及運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，下一步可以通過(guò)超快激光技術(shù)與電化學(xué)或光化學(xué)方法相結(jié)合，通過(guò)表面微納結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)性質(zhì)[71]的共同作用，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)細(xì)胞的遷移和運(yùn)動(dòng)行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另一方面，多種細(xì)胞的共同培養(yǎng)對(duì)研究細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)和相互作用十分重要，普通的基體很難實(shí)現(xiàn)幾種細(xì)胞的可控共培養(yǎng)，而且加工效率還有待進(jìn)一步提高。超快激光具有簡(jiǎn)單精確的特點(diǎn)，有望提供一種新型微納制造途徑，實(shí)現(xiàn)將微圖案應(yīng)用于多種細(xì)胞的共培養(yǎng)。同時(shí)，在細(xì)胞尺度下，細(xì)胞與材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理仍未得到完全解釋，表面拓?fù)湫蚊驳脑u(píng)價(jià)體系還有待完整地建立。生物相容性仍然是生物材料今后一段時(shí)期的研究重點(diǎn)，納米技術(shù)與材料的研發(fā)將是生物材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，利用超快激光的先進(jìn)制造也將是生物材料及其制品今后的研發(fā)重點(diǎn)。