通过皮秒激光处理制备生物相容性亲水聚碳酸酯表面，以增强细胞黏附性

《Surfaces and Interfaces》：Biocompatible Hydrophilic Polycarbonate Surfaces via Picosecond Laser Processing for Improved Cell Adhesion

本研究采用皮秒激光直接写入技术，在聚碳酸酯表面制备周期性微结构，调控接触角8°-90°。通过Wenzel模型分析表面粗糙度与亲水性的关系，XPS/EDS证实激光区域氧化反应。细胞实验表明适度亲水性（32°-48°）显著促进粘附，而超亲水性（8°）则抑制粘附。该技术为生物医用材料表面功能化提供新方法。

　　这项研究围绕着一种新型的表面改性技术展开，旨在提升聚碳酸酯（PC）材料的生物相容性与细胞附着性能。研究者受到动物表面自然微结构的启发，利用高精度的皮秒激光直接写入技术，在PC表面设计并制造了具有周期性结构的微纹理表面。通过这种结构设计，PC表面的亲水性得到了显著增强，接触角范围从8°到90°，从而可以将样品分为不同亲水性的类别，包括低亲水性、中等亲水性和超亲水性。这一成果不仅为生物医学材料的表面功能化提供了新的思路，也为组织工程支架的定制化制造开辟了新的可能性。

PC作为一种热塑性聚合物，因其优异的物理和机械性能，在组织工程领域得到了广泛的应用。其良好的生物相容性有助于减少免疫反应和炎症风险，同时确保在体内长期使用的稳定性，防止因降解导致的功能失效。然而，PC材料本身具有较低的亲水性，这在一定程度上限制了其在细胞附着和组织再生方面的应用。因此，如何有效提升PC的亲水性，成为当前研究的重要方向之一。

在生物医学和组织工程领域，细胞与材料之间的附着是一个关键问题。良好的细胞附着不仅有助于细胞的增殖和分化，还能促进组织的整合，从而更有效地模拟天然细胞外基质，推动活体组织的重建。这对于人工器官、植入物和再生医学的发展具有重要意义。而亲水性作为影响细胞行为的重要因素，已经被多项研究证实，提高材料表面的亲水性可以显著增强细胞附着性能。例如，已有研究表明，通过化学修饰、等离子处理和纳米粒子复合等传统方法，可以有效改善PC表面的亲水性，从而提升其生物活性和组织再生能力。

然而，这些传统方法在实际应用中也存在一定的局限性。化学修饰可能会引入残留的化学试剂，影响材料的长期稳定性；等离子处理虽然能够提高表面的极性功能团含量，但由于其难以实现精确的局部控制，导致表面改性效果不一致；而引入纳米拓扑结构虽然可以增强材料的表面特性，但也可能改变材料的内在机械性能。因此，亟需开发一种高精度、无污染且可定制的表面改性技术，以克服上述问题。

超快激光技术作为一种高精度的表面改性手段，近年来在多种植入材料的表面处理中得到了成功应用。例如，超快激光技术已被用于促进成骨细胞的附着、引导细胞排列以及赋予材料抗菌性能。然而，目前的研究主要集中在超快激光制造的微结构表面对细胞附着的影响，而其在PC表面实现可控亲水性的潜力以及后续对细胞培养行为的影响仍处于探索阶段。因此，本研究尝试通过皮秒激光直接写入技术，在PC表面制造出具有周期性结构的微纹理，并通过调整激光扫描速度和线间距，实现对PC表面亲水性的精确调控。

在实验过程中，研究人员使用了10 mm×10 mm×2 mm的PC薄板作为实验样品，并在实验前使用乙醇对样品进行了两分钟的清洗，以去除表面杂质。随后，样品在皮秒激光系统（NL-LG-4310，由南京TRIZ激光应用技术研究院提供）中进行照射，该系统的脉冲宽度为15 ps，波长为1064 nm。激光束首先通过光路系统，经过聚焦后作用于PC表面，形成特定的微结构。通过调整激光的扫描速度和线间距，研究人员能够控制表面的亲水性，使其在接触角范围内实现不同的亲水性表现。

实验结果表明，制造出的微结构表面具有显著的亲水性提升效果。接触角的变化范围从8°到90°，其中超亲水性表面（接触角约为8°）能够实现液体的快速扩散，这主要是由于毛细作用的驱动。而中等亲水性表面（接触角在32°-48°之间）则表现出更强的细胞附着性能。在细胞培养实验中，研究人员发现，经过36小时的培养后，中等亲水性表面的细胞附着性能显著优于原始低亲水性表面（接触角约为83°）。相反，超亲水性表面则表现出抗细胞附着的特性。这些结果表明，表面的亲水性对细胞行为具有重要影响，而通过激光制造的微结构可以有效调控这一特性。

此外，研究者还对改性后的PC表面进行了物化性质分析，包括X射线光电子能谱（XPS）和能量色散光谱（EDS）测试。这些测试结果表明，激光处理后的PC表面在特定区域出现了显著的氧化反应，氧含量增加了约两倍。同时，氧含基团的相对总含量也有所上升，这进一步验证了激光处理在表面改性中的作用。通过对这些数据的分析，研究人员能够量化激光参数与接触角之间的关系，从而为未来的表面改性技术提供理论支持。

在研究过程中，研究人员采用了扫描电子显微镜（SEM）进行细胞附着的定性分析。通过观察不同亲水性表面的细胞附着情况，研究人员发现，中等亲水性表面的细胞附着性能显著优于原始低亲水性表面，而超亲水性表面则表现出抗细胞附着的特性。这一结果表明，表面的亲水性不仅影响液体的扩散行为，还对细胞的生长和附着产生深远影响。因此，通过激光制造的微结构表面，可以实现对细胞行为的精确调控，从而为生物医学材料的表面功能化提供新的方法。

本研究提出的皮秒激光直接写入技术，不仅能够实现对PC表面的高精度、无污染改性，还能够通过调整激光参数，实现对亲水性的精确控制。这种技术具有高度的灵活性和可定制性，可以根据不同的应用需求，制造出具有不同亲水性的表面。同时，该技术能够在局部区域实现精确的表面改性，避免了传统方法在整体改性过程中可能出现的不一致性问题。因此，这项研究为生物医学材料的表面功能化提供了一种全新的解决方案。

此外，本研究还强调了表面微结构与化学改性的协同作用。通过Wenzel模型的分析，研究人员发现，表面的微结构与化学改性共同作用，可以显著提升材料的亲水性。Wenzel模型描述了粗糙表面上的接触角与光滑表面上的接触角之间的关系，表明粗糙度的增加能够放大材料表面的亲水性变化。这一模型为理解激光制造的微结构对亲水性的影响提供了理论依据。

综上所述，这项研究通过皮秒激光直接写入技术，在PC表面制造了具有周期性结构的微纹理，实现了对亲水性的精确调控。实验结果表明，中等亲水性表面能够显著提升细胞附着性能，而超亲水性表面则表现出抗细胞附着的特性。同时，激光处理后的PC表面在特定区域出现了显著的氧化反应，氧含量增加了约两倍，这进一步验证了激光处理在表面改性中的作用。本研究提出的高精度、无污染且可定制的激光处理策略，为生物医学材料的表面功能化提供了新的方法和思路。这一成果不仅有助于提升PC材料的生物相容性，还为组织工程支架的定制化制造提供了重要的技术支持。