丝蛋白水凝胶中飞秒激光诱导折射率变化研究

2025-01-31 Fri
丝素蛋白水凝胶中的飞秒激光诱导折射率变化研究：未来眼科生物植入物开发的新希望在高度智能化和生物医学迅速发展的今天，屈光矫正技术已成为全球眼科领域的一个研究热点。然而，目前的矫正技术，如角膜机械成形和商用眼内镜片材料的使用，仍面临精确度不足、应用材料生物相容性较差等问题。因此，科学界越来越关注一种新型的非损伤性矫正技术——飞秒激光诱导折射率变化（Laser Induced Refractive Index Change，简称LIRIC）。基于这一背景，来自University of Rochester的研究团队与Instituto de Óptica “Daza de Valdés”合作，开展了一项具有革命潜力的研究，探索如何在丝素蛋白（水凝胶，Silk-Fibroin Hydrogels）中通过LIRIC技术诱导局部折射率变化，从而为制造新型眼科植入物提供可能性。
本文的研究论文——“Demonstration of Femtosecond Laser Induced Refractive Index Change in Silk-Fibroin Hydrogels”，由Quazi Rushnan Islam、Rocio Gutierrez-Contreras、Susana Marcos及Wayne H. Knox合作完成，并发表于2025年的Biomedical Optics Express（Vol. 16, No. 2，第657-668页）。其研究不仅展示了丝素蛋白水凝胶在飞秒激光技术作用下的显著折射率变化，更探讨了这一现象在定制屈光矫正器和生物相容性角膜植入物设计中的潜在价值。
背景与研究目的全球性视力缺陷，如近视、远视、散光和老花眼（Presbyopia），已成为主要的健康挑战。据研究，超过45岁的人口多数受到老花眼困扰，而未矫正的屈光错误已被确认为主要致盲原因之一。因此，开发高效且生物相容性良好的矫正技术迫在眉睫。
LIRIC技术是一种基于飞秒激光的创新方法，通过多光子吸收过程，在材料内部无损地创造局部折射率变化。此前的研究已经成功地在眼科水凝胶、隐形眼镜、眼内镜片和角膜组织中实现了这一技术。然而，由于现有应用材料的限制，这一技术在眼科生物植入物领域的开发空间依然有限。丝素蛋白因其生物相容性、光学透明性和可塑性，被认为是应用于LIRIC的新型平台材料。
本研究的核心目标是验证在丝素蛋白材料中使用LIRIC技术的可行性和效果，探讨其在角膜植入物和生物降解隐形眼镜中的潜在应用。这为未来屈光矫正技术提供了新的科学基石。
研究工作流程研究分为以下几个步骤展开：材料制备、飞秒激光微加工实验、显微成像与干涉计量及实验结果记录分析。
1. 丝素蛋白水凝胶制备丝素蛋白来源于家蚕（Bombyx mori）茧，研究团队根据标准化条件在西班牙Murcia地区采集。丝素蛋白提取基于之前的研究方法[15]，并在以下步骤中进行了调整，包括40分钟去胶处理、60°C烘干、溶解以及4小时搅拌，随后通过透析及离心去除杂质，最终得到了6%-7%（w/v）的丝素蛋白溶液。此外，为改善光学性能，研究团队还利用HEMA（2-羟基乙基甲基丙烯酸酯）和EGDMA（乙二醇二甲基丙烯酸酯）对丝素蛋白进行了共聚合处理，制得了厚度约100μm的丝素蛋白水凝胶薄膜。
2. 飞秒激光微加工实验实验中使用了两种定制的飞秒激光微加工设备，包括：
400 nm, 80 MHz 系统

使用钛蓝宝石激光器，经倍频后输出400 nm激光，扫描速度为5-25 mm/s，能量范围39 mW。
517 nm, 8.3 MHz 系统

使用掺镱光纤激光器，通过二次谐波产生517 nm激光，扫描速度为20-200 mm/s，最高功率980 mW。
每种设备会书写不同参数的“相位条带”（Phase Bars），水凝胶样本分别以干燥或浸泡（湿润）状态书写，并通过显微镜和干涉测量分析相应的折射率变化。
3. 显微成像与干涉计量通过明场显微镜（Bright Field Microscopy）和Mach-Zehnder干涉仪（用于相位测定），记录和分析书写区域的形态及其相位变化。该干涉仪还能通过楔体实验（Wedge Test）测定相位变化的正负值，这是确定折射率变化具体性质的重要方法。
研究结果与分析1. 负折射率变化的确认通过400 nm与517 nm系统的实验，团队观察到书写的相位条带均表现出负相位变化，这与之前使用商用水凝胶材料的LIRIC实验结果一致。这一变化可能与材料局部水含量增加有关。
2. 各实验系统的性能差异及优化潜力400 nm 系统在脱水丝素蛋白中可诱导全波相位变化，功率要求较低，仅需39 mW；但在湿润样本中未能产生可测的相位变化。
517 nm 系统在湿润样本中实现了0.25波到0.6波的相位变化范围，但功率需求较高，达到数百毫瓦级别。
这一结果表明：在脱水条件下，400 nm系统具有显著的加工效率，而517 nm系统则更适合处理湿润样本，尤其在考虑湿润角膜植入物的生理环境下更具现实意义。
3. 可行性与材料稳定性使用517 nm激光系统，研究还证明书写区域在高温高压环境（如121°C下高温灭菌）中保持了相位变化的稳定性。这一特性为LIRIC技术在实际医疗器械制造中的应用提供了技术保证。
研究结论与意义本研究成功在丝素蛋白水凝胶中利用飞秒激光诱导了局部折射率变化，这是首次在这种生物相容性材料中实现类似LIRIC技术的探索性尝试。研究结论明确指出：
丝素蛋白具有出色的光学与生物相容特性，适合作为新型植入物材料；
飞秒激光技术可进一步开发为实时、个性化和可调节的屈光矫正方案；
该技术为减少环境污染（例如因弃用隐形眼镜引发的微塑料污染）提供了可降解材料的替代方案。
研究亮点与特性技术创新：结合LIRIC技术与丝素蛋白材料，展示了通过飞秒激光加工非损伤性光学矫正器件的新方法。
应用前景广阔：研究中的丝素蛋白基角膜植入物为解决老花眼、散光等屈光缺陷提供了创新解决方案，同时展现了环保替代材料的潜力。
结果稳定可靠：实验证明所监测的相位变化在多种环境下的稳定性，为未来商用化以及外科手术应用奠定了基础。
总结通过这一跨学科的研究工作，飞秒激光技术的应用边界进一步延伸到了生物相容性材料领域，为眼科医疗及环保材料研发注入了新的活力。未来，优化书写参数、开发更高效的激光系统以及深入揭示折射率变化机理将成为进一步研究的关键方向。这项技术不仅对屈光矫正领域至关重要，还可能在药物输送波导和组织工程等多个生物医疗方向上带来重要影响。