文/静浅说

编辑/静浅说

前言

激光技术的发展在科学界引发了一场革命，尤其是在处理“脆弱”的有机和生物材料方面。这些材料通常需要特殊的处理方法，以确保它们不受损害，并能被精确地剥离和转移。

激光剥离有机和生物材料

我们来解释一下激光剥离有机和生物材料的过程，用通俗易懂的话语。最近几年，这方面的研究引起了很多人的兴趣，因为激光技术有了很多进步，智能靶标也变得更好用了，而且在化学、生物学和医学等领域也找到了新的用途，特别是在微小和纳米尺度上。

激光剥离有机和生物材料的过程是从材料表面开始的，然后我们通过不同的阶段来研究它，包括在生成后、在真空中或其他环境中的过程，直到最后我们把被剥离的材料沉积在我们感兴趣的基底上。

为了更好地理解激光与有机生物材料的相互作用，科学家们制定了一些模型。这些材料可以是暴露在激光下的，也可以是被某种保护层覆盖着的。此外，他们还使用其他技术来获取有关在等离子体云、液体和最终固态中剥离的物质的详细信息。这些研究进展有助于开发新的应用，比如药物递送系统、生物传感器和金属植入物的涂层等。

在某些情况下，通过多次激光脉冲照射，我们可以实现对有机和生物物质的“保护性”剥离和转移。这意味着我们首先让这些物质在更多的溶剂中溶解，然后将这个混合物冷冻起来。然后，我们使用激光将这个“冰冷”的混合物剥离。

溶质在冻结溶剂层的保护下被剥离和转移到目标地点。在转移过程中，冰层逐渐融化、蒸发，并被真空系统排出，而溶质以最小或无损伤的形式到达最终目的地，最终以薄膜的形式沉积下来。

这项技术是在华盛顿特区海军研究实验室发明的，被称为基质辅助脉冲激光蒸发，自2000年以来在许多领域得到广泛应用，包括纳米生物医学、光催化、硬质合成等等。在MAPLE中，选择合适的溶剂非常关键。

我们现在普遍认为，选择溶剂时需要考虑以下主要要求：激光的光强必须适中，不能太强，以免损害材料；入射激光能量大部分被溶剂吸收，而不是被基底的有机分子吸收；冻结溶剂必须在激光波长下吸收得很好；溶剂必须适合有机材料，好溶解；溶剂必须有较高的冻结点；在激光辐射下，溶剂不能发生化学反应。

MAPLE也就是分子束增强极化电子激发光谱，它和传统的脉冲激光沉积之间的主要区别在于靶材制备和激光相互作用机制。这使得MAPLE的溅射过程与PLD相比有很大的不同。在对MAPLE溅射的基本机制和过程进行了研究。有时，有时空分辨率地进行了有机生物材料的溅射过程观测。通过时间程序脱附质谱和原子光谱等综合技术对喷出的物质进行了表征。

然而，选择完美的溶剂并不容易，有时甚至是不可能的，因为各种溶剂有毒，可用数量和价格有限，而且在溶剂和溶质之间良好混合的要求也很重要。

广义上的MAPLE机制

Smausz等人通过冷冻水溶液中尿酶和纯尿酶颗粒，利用MAPLE和PLD技术合成了尿酶薄膜。KrF*准分子激光的能量密度在300到2200 mJ/cm2之间变化。在相同能量密度范围内，PLD薄膜的FT-IR光谱与MAPLE薄膜没有明显差异。

这个结果可能有点出乎意料，因为直接照射，尤其是更高的能量密度，通常被认为会严重影响生物材料的分子结构。吸收系数的测量结果表明，在使用水作为溶剂时，吸收基质的概念并不适用，也就是说，基质的相对高吸收性并不是MAPLE实验成功的普遍要求。因此，激光能量被有机分子吸收，热量传递到周围的溶剂，而基质则保护了脆弱的有机材料免受过热和热分解的影响。

不同的直接测量或数值模拟结果表明，在大约250纳米波长附近，吸收系数低于1 m^-1 。以1重量百分比的冷冻尿酶溶液为具体例子，这个值约低两个数量级，表明光子通常被尿酶分子吸收，而不是水溶剂。

需要指出的是，在真空室中无法用1 J/cm^2的光通量剥离纯冰。然而，这与“经典”MAPLE原理相矛盾，它基于一个具有吸收性的基质。在我们看来，激光能量被有机分子吸收，导致它们的温度升高，从而融化并加热它们附近的水。

由于反应室中的工作压力，融化的0°C水开始沸腾，上层约微米的部分从表面蒸发，带走尿酶分子，而较深的层则重新冷冻。因此，与大块材料剥离相比，这种精细材料的剥离可以在较低的温度下实现。

我们在355纳米波长下进行了使用水作为MAPLE基质的实验。在这种情况下，冰在紫外可见光范围内的吸收接近局部最小值。这证实了可以成功进行MAPLE沉积，而不需要主要吸收基质材料，比如水。

相关示例

多糖被描述为复杂的分子，因其生物学和化学性质而引人关注，如可生物降解性、无毒性、生物相容性、非免疫原性和增强的化学反应性。此外，大多数多糖物质具有自然来源，根据来源不同，它们在分子量和结构方面会有所不同。

天然多糖物质中存在的糖胺聚糖是一个重要特征，通过与蛋白质在层次特性上的结合，已被证明可以增加伤口愈合过程。由于多糖物质的生物活性取决于其性质，因此多糖基纳米医学的进一步发展是一个当前感兴趣的方向，提出了开发具有可靠特性的多糖物质的替代方法。

组织工程和药物递送也是医学领域永久感兴趣的两个方向，因此已经使用各种多糖物质来为遇到的问题提供新的解决方案。在这方面，文献中报道了海藻酸盐、凝胶、葡聚糖、透明质酸、壳聚糖和泊珑糖等多种多糖物质在特定应用中的好处。

泊珑糖的分子式为n，是一种中性多糖，可溶于水，由酵母样真菌Aureobasidium pullulans产生。由于其独特的结构特点、优异的力学性能和生物相容性，以及高水化能力，天然泊珑糖及其衍生物具有各种生物医学和制药应用。

将泊珑糖应用于组织工程涉及表面修饰实践。因此，通过在其羟基上替换所需的化学基团，可以增强这种生物聚合物的表面性质。此外，泊珑糖的薄膜具有可生物降解性、生物相容性和良好的力学性能，可在各种生物医学应用中合成和使用。

一种加工方法是MAPLE技术，它允许沉积高质量的泊珑糖薄膜，例如三乙酸泊珑糖、香草酸泊珑糖和对甲苯磺酸泊珑糖。在薄膜形式下激光加工这些有机材料需要保留泊珑糖的分子结构和功能。

Cristescu等人通过在二甲基亚砜中的2 wt％生物聚合物冷冻靶标上使用KrF*激光源照射，合成了泊珑糖及其衍生物的MAPLE薄膜。基于这种生物聚合物的生物功能性，Bulman等人证明了泊珑糖的添加增强了间充质干细胞在患有软骨表面的保留，增加了MSC的治疗效果，充当细胞粘附剂。

2016年，Atila等人首次报道了通过湿法静电纺丝技术制备泊珑糖和醋酸纤维素支架以满足工程组织构建的要求。至于将泊珑糖用于药物递送系统，一项相对较新的研究揭示了基于泊珑糖和聚酯的基因共递送和化疗药物的合成和效果。

这些只是展示泊珑糖应用的一小部分，证明了它对当前和未来研究方向的重要性，提供了广泛的活动领域，因为它具有多样化的成分。

蛋白质是一类与多糖不同的大分子，由约20种氨基酸单体组成，可以在所有生物系统中找到，从低等原核生物到复杂的真核生物。根据化学性质，氨基酸被分类为非极性脂肪族、非极性芳香族、极性不带电的、极性带负电的、极性带正电的和含硫基团。

每个氨基酸通过不同的侧链与中央碳连接，导致蛋白质的独特性质。 此外，蛋白质包括大量的反应性基团，通过化学修饰保证了其灵活性。这一说法得到了支持，因为蛋白质具有多个用于化学相互作用的位点，可以改进和定制其性质。

蛋白质主要存在于水性或膜环境中，不溶于非极性溶剂，并涵盖了各种多聚化合物。因此，范德瓦尔斯力、氢键、静电作用、疏水作用和二硫键交联相互作用是氨基酸单元之间的连接，负责蛋白质沿多聚链的结构修饰。

因为可以调整蛋白质的性质，所以可以满足不同应用的具体需求。蛋白质在生物医学领域有许多重要应用，其中包括诊断成像、治疗递送和组织工程等。通过不同蛋白质材料的加工，如丝、明胶、胶原、酪蛋白和角蛋白，制造出可用于组织工程、细胞粘附和植入物的涂层，这些进展已经证明对医学领域的改进至关重要。

蛋白质的不同侧链附着在结构中，可以优化薄膜的制备和稳定性，因为蛋白质可以经受化学和机械修饰。此外，基于蛋白质的薄膜或涂层是可生物降解的，因此可以作为肥料的氮源。

蛋白质也在组织和器官中扮演重要角色，作为细胞外基质（ECM）的组成部分，如纤维连接蛋白、维连蛋白和胶原I等蛋白质，在伤口愈合过程中发挥着重要作用。特别是，我们的研究集中在FN和VN这两种蛋白质上，研究表明它们在体外可以增强特定细胞对设计的基质的附着能力。

纤维连接蛋白是ECM中最重要和最密集研究的蛋白质之一，存在为二聚体，具有诱导矿化作用，并存在于体液中，如血浆。在生理pH下，由于其酸性等电点，FN呈负电荷。

从生物学角度来看，FN在各种细胞的粘附、扩散、迁移、分化和增殖以及多种生长因子的积累方面发挥关键作用。此外，FN还可以增强生长因子的生长促进功能。因此，FN被广泛研究，并用于组织工程中的涂层制备。

在2013年的研究中，研究人员使用激光直写技术在钛基底上制备了功能性FN图案。他们验证了激光直写技术适用于传递FN分子，并保持了蛋白质的成分特性和功能。通过ATR-FTIR测量评估了传递的FN的完整性，结果显示FN滴加和激光直写带状物之间没有结构修饰。

特征的酰胺I和II带清晰可见，并与正控制相似，正控制是将FN溶液滴加到硅基底上的。负控制则是将蛋白质样本加热至100°C后的光谱，可以清楚地看到在这种情况下，两个蛋白质带不再可见。

这意味着在高温下暴露的蛋白质失去了其二级结构，但任何可能的热损伤都是有限的，不会对蛋白质的二级结构产生可检测的影响，蛋白质在传递后仍然保持基本不变。

总结

激光技术在处理脆弱的有机和生物材料方面展现出了巨大的潜力，为科学研究和医学应用提供了新的可能性。从基质辅助脉冲激光蒸发到分子束增强极化电子激发光谱，不同的技术和溶剂选择为我们提供了多种方法来处理和剥离这些材料。

这些创新不仅有助于我们更深入地理解有机生物材料的性质，还为药物递送、生物传感器、组织工程等领域的应用提供了新的途径。

尽管选择合适的溶剂可能具有挑战性，但科学家们的不懈努力和持续研究将进一步推动激光技术在生物医学和材料科学领域的前沿发展。在未来，我们可以期待看到更多基于激光技术的创新，为改善医学诊断和治疗以及推动材料科学的进步作出更多贡献。