利用消融激光的从实验室到生产的工艺：一种轻便、灵活且生物相容的微型加热器，适用于可穿戴治疗应用

《ACS Applied Bio Materials》：Lab to Fab Process Using Ablation Lasers: A Lightweight, Flexible, and Biocompatible Microheater for Wearable Therapy Applications

可穿戴热疗用柔性微加热器的激光微加工技术及性能研究。提出基于紫外激光的微加工方法，利用PAC基底和金电极制造出大范围、高精度、可扩展的微加热器，涵盖圆形、六边形和平面等多种设计。研究表明，圆形设计在热效率和均匀性上最优，机械柔韧性和生物相容性满足植入和可穿戴需求，支持30-100℃精准控温

　　随着现代医学的不断进步，可穿戴热疗技术因其在多种可穿戴和生物医学应用中的潜力，尤其是用于加速伤口愈合的智能敷料，受到了广泛关注。在本研究中，我们提出了一种新型的大面积、高精度且可扩展的制造方法，使用基于紫外线（UV）的激光烧蚀技术，相较于传统的光刻或印刷方法，这种方法在设计灵活性、材料适应性、热损伤控制等方面具有显著优势。该技术能够实现快速原型设计，并在无需使用有害化学物质的情况下，以接触式无损的方式进行材料加工，从而为未来可穿戴和植入式设备的制造提供了一种环保、可持续的解决方案。

在实验中，我们设计并制造了多种微型加热器，包括圆形、六边形和平面结构，尺寸从微小到超大不等。这些微型加热器被集成在镀金的Parylene C（PAC）基底上，PAC是一种FDA批准的生物相容性材料，具有良好的柔韧性、高耐温性、低表面粗糙度和优异的化学稳定性。通过优化激光参数，如功率、速度和重复次数，我们实现了对微型加热器的精准蚀刻，确保了其在多种柔性基底上的稳定性和性能。此外，我们还对微型加热器进行了电热特性测试，以评估其在不同电压和电流条件下的热响应与导电性能。

实验结果显示，不同形状和尺寸的微型加热器在电导率、电阻和热响应方面表现出不同的特性。例如，圆形加热器因其较高的导电性和均匀的热分布，在性能上表现优异，尤其是在短时间内的加热效率方面。而六边形和六边形结构由于边缘角度的影响，导致了更多的电子散射，从而在电导率和热效率上略逊于圆形设计。同时，实验中还对微型加热器的机械柔韧性进行了测试，通过多次弯曲实验，发现圆形结构在反复弯曲后表现出更高的稳定性，而六边形和平面结构由于边缘更尖锐，容易产生应力集中，导致电阻变化幅度更大。

在生物相容性方面，我们使用了L929细胞进行活/死细胞检测实验，以评估微型加热器对细胞的影响。结果显示，无论是单独使用的PAC材料，还是带有金图案的PAC材料，都对细胞的存活率没有显著影响，表明其在生物医学应用中具有良好的兼容性。这一发现为未来在人体表面或体内使用这些微型加热器提供了坚实的基础。

为了进一步验证微型加热器的可靠性，我们还进行了在磷酸盐缓冲液（PBS）中的浸泡测试，以评估其在长期使用中的性能稳定性。测试表明，即使经过72小时的浸泡，微型加热器的电阻变化仍控制在5%以内，这主要得益于PAC的高效封装作用，其不仅提供了良好的防水性能，还防止了金属离子的泄漏，确保了设备的安全性和稳定性。

此外，我们还对微型加热器的电热转换效率进行了研究，发现其在不同温度范围内的表现具有显著的差异。圆形设计在低功率下仍能保持较高的加热效率，而六边形和平面设计则在某些情况下表现出更高的温度输出能力。这一结果表明，不同的结构设计适用于不同的应用场景，从而提供了更大的设计自由度。

在实际应用中，这些微型加热器能够满足多种可穿戴和植入式设备的需求，包括药物输送、疼痛缓解、伤口愈合和肌肉放松等。它们的轻量化、柔性和可扩展性使其在人体表面或体内使用时能够保持良好的适应性，同时不会对周围组织造成不必要的热损伤。通过结合激光烧蚀技术与先进的封装方法，我们成功地制造出了一种能够实现精确热控制的微型加热器系统，为未来智能医疗设备的发展提供了新的思路和方法。

本研究的创新之处在于，利用基于紫外线的皮秒激光技术，不仅实现了对金属薄膜的精准蚀刻，还避免了传统制造方法在环境控制和材料处理方面的局限性。这种方法能够在常温下操作，无需使用复杂的清洁室设备，从而降低了制造成本，提高了生产效率。同时，由于激光烧蚀的非接触式特点，使得设备在制造过程中不会受到机械应力的影响，保持了其良好的物理和化学稳定性。

从长远来看，这种新型的微型加热器制造技术为可穿戴和植入式医疗设备的开发提供了重要的支持。它不仅能够满足对精确温度控制的需求，还能适应各种复杂的生物相容性材料，确保设备在体内环境中的长期稳定性。此外，该技术的可扩展性使其有望应用于大规模生产，为未来的智能医疗设备提供更高效的制造方案。

总的来说，本研究展示了基于紫外线激光烧蚀技术的微型加热器制造方法在可穿戴热疗领域的巨大潜力。通过优化设计参数和制造工艺，我们成功地制造出了一种具有高机械灵活性、良好生物相容性和优异热性能的微型加热器系统。这一技术的广泛应用不仅有助于推动柔性电子的发展，也为生物医学工程和智能医疗设备领域带来了新的机遇。