在重组人Ⅲ型胶原蛋白上使用飞秒激光直接写入功能性微结构，实现亚微米级的形态特征

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond laser direct writing functional microstructures on recombinant human Ⅲ-Type collagen with sub-micron morphological feature

飞秒激光多光子聚合技术首次成功制造亚微米级重组人III型胶原蛋白微结构，获得约468.1nm的横向分辨率，构建二维及准三维结构并实现光学器件与生物组织的跨学科融合。

　　近年来，随着生物医学技术的快速发展，微结构制造在组织工程和生物应用领域中扮演着越来越重要的角色。传统的制造方法在精度和生物相容性方面存在一定的局限，而基于多光子聚合的飞秒激光直接写入技术则为实现高精度、非接触式的微结构制造提供了新的可能性。该技术通过飞秒激光的多光子吸收效应，能够在微米乃至纳米尺度上构建复杂的三维结构，同时避免了传统光刻技术中的衍射限制问题，从而在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。

在本研究中，我们首次成功利用飞秒激光直接写入技术，基于多光子聚合原理，制造出具有亚微米形态特征的重组人Ⅲ型胶原蛋白（RHC III chain）微结构。这一突破性成果不仅为生物医学领域的微结构制造提供了新的研究方向，也展示了飞秒激光技术在生物材料加工中的高度精确性和灵活性。通过调节激光功率和扫描速度，我们实现了在二维线体素中的横向制造分辨率达到约468.1纳米，这一精度水平表明飞秒激光直接写入技术在微结构制造方面具有显著优势。

在实验过程中，我们采用了一套商业化的飞秒激光系统，其波长为780纳米，锁模脉冲宽度为35飞秒，重复频率为80兆赫兹，最大激光输出为500毫瓦。激光束的初始直径约为2毫米，通过两个透镜的扩展，将其放大至约10毫米，以确保光束的均匀性。这一系统能够有效控制激光的聚焦区域，从而在特定材料中实现精确的微结构制造。在实验中，我们特别关注了RHC III chain的加工性能，通过优化激光参数，成功实现了高精度的微结构构建。

RHC III chain作为皮肤表皮组织中重要的胶原蛋白成分，具有良好的生物相容性和机械稳定性，其微结构的构建对于模拟天然细胞外基质（ECMs）具有重要意义。与传统的胶原蛋白相比，RHC III chain通过基因工程技术合成，避免了动物源性胶原蛋白可能带来的免疫反应和疾病传播风险。这种重组胶原蛋白在组织再生、医疗设备、伤口愈合等领域中展现出广阔的应用前景。通过实验验证，我们发现RHC III chain能够良好地溶解于纯水、酸性溶液和生理盐水中，这为制备光聚合胶原蛋白墨水提供了便利。

此外，我们还成功构建了二维和准三维的RHC III chain微结构，以展示飞秒激光直接写入技术在生物材料加工中的广泛适用性。实验结果显示，这些微结构不仅能够保持良好的光学性能，还具有优异的生物稳定性，能够在不同的环境条件下保持结构完整性。通过细胞培养实验，我们进一步验证了RHC III chain微结构支架在细胞生长和神经细胞聚集方面的潜力。这些结果表明，飞秒激光直接写入技术能够有效实现生物材料的微结构调控，为组织工程和生物医学应用提供了新的工具。

在本研究中，我们还探索了RHC III chain材料与光学器件的结合，实现了生物微结构与光学功能的融合。通过构建光栅、微透镜和菲涅尔光阑（FZP）等光学器件，我们发现这些器件在光学性能和生物稳定性方面均表现出色，能够在不改变周围环境的情况下保持其功能。这种创新性的结合不仅拓展了RHC III chain材料的应用范围，也为生物光子学和组织修复研究提供了新的思路。

总的来说，本研究展示了飞秒激光直接写入技术在生物材料微结构制造中的巨大潜力。通过优化激光参数和加工条件，我们成功实现了高精度的RHC III chain微结构构建，为生物医学领域提供了新的研究方法和应用平台。这一成果不仅推动了生物光子学的发展，也为组织工程和生物医学应用带来了新的机遇。未来，随着技术的进一步成熟，RHC III chain微结构在生物医学领域的应用将更加广泛，为人类健康和医学研究做出更大的贡献。