通过直接激光干涉刻蚀（DLIP）技术对钴铬（CoCr）合金进行受自然界启发的具有功能表面的心血管植入物设计

《Materials Today Communications》：Bioinspired design of functional surfaces for cardiovascular implants by Direct Laser Interference Patterning of CoCr

　　

自然界中存在的微纳图案化表面展现出独特的生物相互作用，并为提高医疗设备的生物性能提供了仿生策略。其中，沟槽状微结构已被证实能够有效引导细胞响应。本研究探讨了一种在生物医用CoCr合金上生成层级沟槽结构的新型单步加工方法。研究人员将超短脉冲直接激光干涉刻蚀（USP-DLIP）与激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的受控形成相结合，成功制备出具有明确纳米级亚结构的沟槽图案。对激光与材料相互作用的初步研究表明，材料烧蚀动力学过程伴随着LIPSS的形成。对图案化表面的全面形貌表征确认了其几何和形态特征，而光谱学分析则表明超短脉冲激光加工导致了显著的化学修饰。研究人员利用人类心肌细胞（HCM）评估了这些工程表面的生物学相关性。层级沟槽图案显著影响了细胞行为，促进细胞沿沟槽轴排列和定向生长，同时抑制了细胞增殖。结果表明，USP-DLIP能够实现微纳层级表面的可重复制备，从而增强细胞响应和生物相容性，突显了其在提升心血管植入物性能方面的巨大潜力。

在心血管植入物领域，提升材料的生物相容性与组织整合性一直是生物医用材料研究的关键。自然界中广泛存在的微纳图案化表面（如仿生细胞外基质的鱼鳞层片结构）能够有效影响细胞的黏附、形态和增殖。其中，线状沟槽结构因其在引导细胞迁移和调控增殖方面的作用而备受关注。然而，对植入材料进行表面形貌修饰时，往往会引发物理化学性质的改变，这些变化可能影响蛋白质吸附和血小板相互作用，若血小板对纳米级图案敏感，极易引发血栓事件。因此，如何设计一种既能满足微米级细胞刺激需求，又能调控纳米级血液响应的复合表面形貌成为难题。此外，传统的精密图案制备方法多局限于化学法、光刻技术等，难以高效、灵活地在复杂三维医疗移植体（如支架）上进行加工。基于此，研究人员旨在探索一种单步超短脉冲直接激光干涉刻蚀（USP-DLIP）技术，在广泛使用的钴铬（CoCr）合金表面构建微纳层级沟槽结构，以期在改善细胞相容性的同时避免不良血液反应。该研究成果已发表于《Materials Today Communications 》期刊。

研究人员主要采用了USP-DLIP技术，通过衍射光学元件分束并聚焦产生干涉，在Haynes 25/L605合金样品上制备了间距分别为800 nm、3 μm和10 μm的层级沟槽图案。通过调制光束偏振态，生成了平行或垂直于主沟槽的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。主要应用的表征与评估技术包括：利用共焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜/聚焦离子束（SEM/FIB）进行表面形貌与截面分析；采用X射线光电子能谱（XPS）进行表面化学成分与氧化物相分析；使用人类心肌细胞（HCM）系进行体外细胞培养，通过活/死染色、BrdU增殖实验和免疫组织化学染色评估细胞活性、增殖、形态及定向排列情况。

激光与材料相互作用及表面设计
研究初期，研究人员通过D²方法测定了材料的烧蚀阈值，发现多脉冲加工会因 incubation effects（孕育效应）降低烧蚀阈值。随着脉冲数增加（≥10次），激光与材料相互作用激发了表面等离子体激元，从而在垂直于光束偏振方向形成低空间频率LIPSS（LSFL-I）。基于此，通过改变入射角调控图案间距，并利用偏振调制成功制备了具有可控亚结构的微纳层级表面。FIB截面分析显示，在图案峰值处覆盖着一层厚度约17.8纳米的浅层反应层。此外，DLIP烧蚀过程伴随的相爆炸与Marangoni效应共同促成了表面纳米级形貌特征。

化学表征
XPS分析显示，USP激光加工并未向材料引入外部污染，但显著改变了表面化学组成。加工后表面的氧含量增加，铬含量降低，Co/Cr和O/(Cr+Co)比例上升。高分辨率XPS图谱表明，表面生成了CoO、Co₂O₃、Co₃O₄以及Cr₂O₃等氧化态物种。这些致密的表面氧化层通常作为保护屏障限制进一步腐蚀，从而降低生物风险。研究还发现，由于加工中热表面与大气氧接触形成连续薄氧化层，累积激光通量对氧化程度的影响较小。

细胞活力与增殖
活/死实验表明，所有图案化表面均未对HCM产生细胞毒性，即使表面氧化物比例增加也未引发不良细胞反应。BrdU增殖测试显示，具有微米级特征（3 μm和10 μm）的表面显著抑制了细胞增殖；而亚微米结构（800 nm）仅产生适度的增殖减缓作用。这表明接近细胞尺寸的微地形特征能主导调节细胞周期进程，通常与细胞骨架成熟和机械转导信号改变有关。

细胞形态
通过免疫组化染色观察发现，在抛光对照组和800 nm结构表面，细胞呈现随机取向的成纤维细胞样形态。然而，在3 μm和10 μm的图案表面，HCM表现出明显的接触引导现象：细胞骨架重组并沿主沟槽方向伸长和排列。其中，10 μm结构对细胞定向（0°-15°内）影响最强，且平行于主结构的LIPSS亚结构进一步增强了这种排列效应，约90%的细胞沿10p表面沟槽方向排列。

结论
本研究详细考察了生物医用CoCr合金Haynes 25的飞秒激光烧蚀行为及其在生成层级表面结构方面的适用性。研究人员利用材料形成LIPSS的能力，成功制备了具有明确间距及可控亚结构取向的层级沟槽图案。化学分析证实了激光加工诱导生成的薄层氧化反应层。生物学评估表明，这些激光结构化表面均未表现出细胞毒性，且通过显著的接触引导效应促进了HCM的定向生长。研究结论指出，图案间距是主导细胞行为的关键因素，而LIPSS亚结构提供了额外的调控维度。这些发现突显了USP-DLIP技术在定制表面性质以引导细胞定向排列方面的潜力，对于涉及各向异性组织（如心肌）的应用具有重要意义，并为提升生物医用植入物和器械的功能与性能提供了一种极具前景的工具。