玉米醇溶蛋白薄膜的纳秒激光诱导拓扑结构调控及其表面润湿性研究

本研究针对可降解生物材料表面功能化需求，首次采用355 nm/6 ns双光束激光干涉图案化技术（DLIP），在0.50-1.00 J cm?2能量范围内实现了玉米醇溶蛋白（zein）薄膜从周期性线槽/晶格图案到非周期性泡沫层的可控构建。通过荧光光谱证实表面二酪氨酸交联增加，接触角测试显示润湿性可调（最高疏水性提升18°），为生物医用涂层和组织工程支架开发提供了新型物理加工策略。

　　

在生物材料领域，蛋白质基薄膜因其优异的生物相容性和可降解性备受关注，但传统化学改性方法存在工艺复杂、环境污染等问题。玉米醇溶蛋白（zein）作为玉米来源的疏水性蛋白，虽具备成膜特性，但其表面功能化调控仍面临重大挑战。现有物理改性技术如冷等离子体处理难以实现微米级精确图案化，而激光加工技术虽在合成聚合物中应用成熟，却鲜有在蛋白质材料中实现多模式拓扑调控的报道。

阿根廷国家科学技术研究委员会（CONICET）等机构的研究团队创新性地将纳秒激光干涉图案化技术（Direct Laser Interference Patterning, DLIP）应用于zein薄膜表面工程。通过355 nm波长、6 ns脉宽的激光脉冲，在《Surfaces and Interfaces》发表的研究中首次实现了从周期性微结构到泡沫层的连续调控。关键技术包括：双光束DLIP系统构建线槽（LG）、方晶格（SL）和菱晶格（RL）图案；原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）表征三维形貌；荧光光谱检测二酪氨酸交联；静态水接触角（SWCA）评估润湿性变化。

优化zein基薄膜
通过调整乙醇浓度（90-95% v/v）并添加3%甘油和乙酸，获得无裂纹的平滑薄膜，为后续激光加工奠定基础。

表面形貌调控
在0.50-0.70 J cm^?2能量密度下，单脉冲形成周期1.7 μm的LG图案，双脉冲结合样品旋转产生SL/RL晶格（周期3.4 μm）。超过0.70 J cm^?2阈值时出现激光发泡现象，1.00 J cm^?2以上形成多孔泡沫层，AFM显示泡沫层粗糙度达1.8 μm。

化学修饰分析
荧光光谱在315 nm和425 nm处特征峰表明，激光处理促进表面二酪氨酸交联，且泡沫层的交联程度最高，证实激光能量与蛋白质化学修饰的剂量效应。

润湿性变化
原始薄膜亲水（接触角50°），SL/RL图案使疏水性提升约10°，泡沫层增加18°。LG图案展现各向异性润湿，平行/垂直方向接触角差达15°，证实拓扑结构对表面性能的定向调控能力。

该研究突破性地证明：ns-DLIP可在zein薄膜实现从精密图案到多孔结构的连续调控，二酪氨酸交联是主要化学改性机制，表面润湿性变化与拓扑特征强相关。相比传统方法，该技术具有单步骤、无溶剂、高精度等优势，为开发抗菌涂层（周期性图案抑制细菌粘附）和组织支架（泡沫层促进细胞生长）提供了新思路。研究首次揭示蛋白质薄膜的激光能量阈值效应（0.70 J cm^?2），为其他生物聚合物的激光加工提供重要参考。作者Taimi Espinosa Reyes等强调，这种物理改性策略可避免化学交联剂的毒性问题，未来可通过调整激光参数（脉冲数、干涉角）进一步拓展拓扑结构库，推动绿色生物制造技术发展。