飛秒激光由于其超快時(shí)間特性和超高值功率特性在生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大的成功,飛秒激光與生物材料作用的機(jī)理研究引起了眾多學(xué)者的濃厚興趣,通過近數(shù)十年的研究已經(jīng)得到了突破性的進(jìn)展,本文綜述了飛秒在現(xiàn)代生物學(xué)領(lǐng)域中的一些應(yīng)用,包括激光生物效應(yīng),活細(xì)胞微手術(shù),直寫微納加工應(yīng)用,細(xì)胞成像等.
飛秒激光在生物學(xué)方面的應(yīng)用
1.飛秒激光特點(diǎn)
1960 年 7 月窗怒，美國人 Mahaan 博士研究出世界上第一臺(tái)激光器(紅寶石激光器)映跟。激光作為一種新型的光源具有以往光源所不具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度扬虚、高方向性努隙、高單色性、高相干性辜昵。此后荸镊，激光技 術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中一個(gè)重要方向就是向輸出脈寬越來越窄的脈沖方向發(fā)展。到目前為止躬存，脈沖持續(xù)時(shí)間已由納秒(ns)张惹、皮秒(ps)壓縮至飛秒(fs)，甚至至阿秒(as)級(jí)岭洲。故飛秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)短于熱平衡時(shí)間(10?12 s 數(shù)量級(jí))宛逗，所以在與物質(zhì)作用時(shí)，飛秒激光注入的能量被集中在一個(gè)空間極小的范圍內(nèi)盾剩， 其能量幾乎不會(huì)被傳遞到直接作用區(qū)以外雷激，對(duì)作用區(qū)周圍的熱影響極小。由于聚焦激光的焦斑尺寸極小告私， 能量密度極高侥锦，能量的利用率亦大大提高。這使得被作用區(qū)域的溫度在極短時(shí)間內(nèi)升到極高德挣，遠(yuǎn)超過材 料的液化和氣化溫度，促使物質(zhì)發(fā)生高度電離快毛，達(dá)到等離子態(tài)格嗅。同時(shí)，由于飛秒激光的強(qiáng)度在空間上一 般呈高斯分布唠帝，即激光焦斑中心強(qiáng)度最大屯掖，而隨著向邊緣的過渡其強(qiáng)度逐漸減弱，因此襟衰，飛秒激光能在 極短的時(shí)間贴铜、極小的空間和極端的物理?xiàng)l件下對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行作用。
飛秒激光在生物方面的應(yīng)用瀑晒，飛秒激光在材料科學(xué)領(lǐng)域所表現(xiàn)出來的微納加工和處理優(yōu)勢(shì)在生命科學(xué)方面同樣適用绍坝，其在生物體 內(nèi)所能實(shí)現(xiàn)的三維精確微創(chuàng)手術(shù)為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的機(jī)會(huì)。在對(duì)細(xì)胞和組織的處理和切除方面苔悦，飛秒激光已逐漸成為一個(gè)重要的工具轩褐，并取得了很多令人振奮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
飛秒激光亞細(xì)胞器手術(shù)玖详。為了研究細(xì)胞的生長(zhǎng)把介、運(yùn)動(dòng)、新陳代謝蟋座、有絲分裂拗踢、分化和凋亡等行為，需要對(duì)細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞骨架 或細(xì)胞器進(jìn)行處理向臀，傳統(tǒng)的工具由于空間分辨率不高且對(duì)細(xì)胞損傷較大制約著該領(lǐng)域的發(fā)展巢墅，飛秒激光 的出現(xiàn)無疑為該領(lǐng)域注入了新的活力。 2006 年哈佛大學(xué) hmar 等人采用飛秒激光手術(shù)在活細(xì)胞內(nèi)切割了單根肌動(dòng)蛋白絲，研究其收縮動(dòng)力 學(xué)及細(xì)胞形狀的變化砂缩，如圖 1 所示作谚。
日本大阪大學(xué)采用飛秒激光在活的 NIH3T3 細(xì)胞內(nèi)切割了單根肌動(dòng)蛋 白絲，發(fā)現(xiàn)切割后十分鐘后庵芭，斷裂的肌動(dòng)蛋白絲重新愈合妹懒，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)纖維解聚和組裝的人 為調(diào)控，為各種細(xì)胞內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程的研究奠定了基礎(chǔ)双吆。 大阪大學(xué)用飛秒激光手術(shù)在海拉細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)線粒體的蝕除眨唬，而沒有破壞細(xì)胞周圍其它結(jié)構(gòu)， 實(shí)驗(yàn)后 12 小時(shí)好乐，被手術(shù)的細(xì)胞進(jìn)行了正常的有絲分裂匾竿。德國耶拿大學(xué)的 TirlaPur 等人用飛秒激光在植 物細(xì)胞里實(shí)現(xiàn)了半個(gè)葉綠體的蝕除，應(yīng)用 80 MHz 欽籃寶石激光對(duì)人類的染色體進(jìn)行點(diǎn)蝕除和線切割,同 時(shí)應(yīng)用原子力顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行觀察蔚万。
2.飛秒激光細(xì)胞膜手術(shù)岭妖。 由脂和蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的細(xì)胞膜是防止細(xì)胞外物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的屏障，它保證了細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相 對(duì)穩(wěn)定反璃，使各種生化反應(yīng)能夠有序進(jìn)行昵慌。細(xì)胞膜的流動(dòng)性不僅是膜的基本特性之一，也是細(xì)胞進(jìn)行生命 活動(dòng)的必要條件淮蜈。通過膜脂質(zhì)流動(dòng)性的改變可反應(yīng)出細(xì)胞膜的功能狀態(tài)及膜受損傷的程度斋攀，同時(shí)，膜的 流動(dòng)性也決定了其具有自動(dòng)愈合的能力梧田。細(xì)胞膜與飛秒激光結(jié)合具有廣泛的應(yīng)用前景淳蔼，如細(xì)胞融合、細(xì)胞分離裁眯、轉(zhuǎn)基因鹉梨、輔助受精等。 2002 年穿稳，Tirlapur 等人用欽藍(lán)寶石飛秒激光器產(chǎn)生的飛秒激光在細(xì)胞膜上產(chǎn)生單個(gè)的!特定位置的瞬 時(shí)穿孔俯画，允許 DNA 通過并保存了細(xì)胞的完整性。 2005 年司草，Kohil 等人用飛秒激光對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行亞微米細(xì)胞膜切割和細(xì)胞分離艰垂，并保持了細(xì)胞 的活性。2008 年埋虹，天津大學(xué)的王清月等人用波長(zhǎng) 800 nm猜憎，脈寬 40 fs 的飛秒激光對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行融合， 同時(shí)用 ccd 檢測(cè)細(xì)胞的融合過程搔课，靶細(xì)胞在手術(shù) 160 分鐘后成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞融合胰柑，如圖 2 所示。
3.飛秒激光生物活體手術(shù)。展研究無疑是對(duì)醫(yī)學(xué)技術(shù)水平的一大挑戰(zhàn)柬讨。飛秒激光作為一項(xiàng)新興技術(shù)崩瓤，自產(chǎn)生以來對(duì)生物活體的研 究就非常受人們的重視。 國內(nèi)外學(xué)者利用飛秒激光在生物活體上開展了大量的研究工作踩官，其中最為成熟并在臨床上有應(yīng)用的 是飛秒激光角膜屈光手術(shù)和角膜移植手術(shù)却桶，該技術(shù)的應(yīng)用使手術(shù)本身更安全并且術(shù)后視覺質(zhì)量恢復(fù)的更 好，此外還有不少的研究停留在實(shí)驗(yàn)階段蔗牡，如斯坦福大學(xué) Ginzton 實(shí)驗(yàn)室使用飛秒激光對(duì)線蟲的軸突 進(jìn)行外科手術(shù)颖系，手術(shù)后這些軸突實(shí)現(xiàn)了功能性再生，采用飛秒激光手術(shù)對(duì)細(xì)胞和組織的修正和切除在生 物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸成為一個(gè)重要的工具辩越，在神經(jīng)損傷再生嘁扼、組織病變的診斷和治療、皮膚美容等方面無 疑都具有一定的應(yīng)用前景黔攒。
通過介紹飛秒激光在在細(xì)胞微手術(shù)趁啸、微納加工和細(xì)胞成像等領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例，證明飛秒激光在生物學(xué)中的應(yīng)用前景將更為廣闊督惰。盡管飛秒激光手術(shù)具有如此大的優(yōu)越性不傅，但在實(shí)際的臨床中應(yīng)用還 比較少，主要由于飛秒激光器還存在穩(wěn)定性姑丑、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)龐大辞友、可操作性差和對(duì)特殊生物組織的可 復(fù)性損傷閾值問題等栅哀，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
您可以通過我們昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息称龙，或直接來電咨詢4006-888-532留拾，我們將竭誠為您服務(wù)。
展示全部 
