相比于长脉冲激光， 超短脉冲激光微加工是一个非线性、非平衡过程， 阈值效应明显，热影响区极小，可控性高。近年来， 超短脉冲激光被广泛应用于微流体装置、微传感器、生物医疗等微纳制造领域。尤其在生物医疗领域，激光可实现复杂精细的微纳结构加工， 能够最大限度地满足生物医疗产品的某些特殊应用要求。

相比传统的加工方法而言， 超短脉冲激光微加工具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、3D空间上严格定位等优点，在医疗器械加工中有着很好的应用前景。

生物材料表面特征会显著影响细胞的粘附、扩展、增殖、分化等行为， 是影响材料生物相容性的重要因素。常规材料表面改性方法虽能提高生物活性物质的负载，但是存在工艺复杂、涂层在体内溶解速度快、涂层易断裂等问题。激光微加工技术通过在材料表面快速加工出各种微观结构来改变其表面特征，通过变换微米粗糙度和横向间距的方法优化细胞的粘附与分化，从而在改变组织细胞生物特性方面有着重要的作用。与其他表面改性方法相比，激光微加工技术改性的生物材料表面改性层薄，对基体影响小，克服了现有改性方法的缺点。

Koufaki等利用飞秒激光扫描在单晶硅表面加工出粗糙度比为2.0~5.9的锥形表面微结构，通过转印方法将微结构复制到聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乳-羟基乙酸(PLGA)和有机改性陶瓷(ORMOCER)材料表面，如下图所示。

图 (a) 利用激光技术在单晶Si、PDMS、PLGA和ORMOCER表面制备的微结构; (b) NIH/3T3活细胞(绿色)和死细胞(黄-红色)在PDMS和PLGA结构表面的荧光显微图; (c) PC12活细胞(绿色)和死细胞(黄-红色)在PDMS和PLGA结构表面的荧光显微图

在组织工程学领域，研究细胞在生物材料表面的生物特性具有重要的意义，生物材料生物学性能的改进和提高， 是当代生物医用材料发展的另一个重点。随着人们对生物材料表面界面的非特异性作用的不断了解，越来越多的研究人员认识到，只有在更加微观的尺度上实现对生物材料表面特异性生物活性作用的精确控制才是从根本上解决生物材料生物相容性的关键。

激光微加工技术可在生物材料表面产生多种表面结构，如纯纳米结构、各种尺度的纳米、微米结合的复合结构，并可通过进一步激光微加工过程产生特有的、复杂的分层表面形貌。通过变换微米粗糙度、横向间距和其他微结构尺寸参数即可对细胞的粘附和分化进行优化。但是材料表面形貌的变化对细胞的影响比较复杂，其作用机理尚在探索之中，目前相关研究大部分仍处于实验室阶段， 激光微加工对生物材料表面改性的效果还需要大量体内外实验进行相互验证。

微机电系统技术是建立在微米、纳米技术基础上的21世纪前沿技术，自20世纪80年代应用于医疗行业以来，其相关技术和产品已覆盖到检测、诊断、治疗等生物医学领域。当前， MEMS加工技术主要是利用化学腐蚀或集成电路工艺对硅基材料进行加工的技术，但由于医疗用MEMS处理对象的特性与工业用的情况有很大的差别以及新技术、新材料在医疗领域的不断应用，传统的硅基加工方法已不太适用于医疗用MEMS的加工。与传统的硅基加工技术相比，激光微加工技术不仅适用于多种材料，而且能够加工出具有亚微米精度的3D微型结构， 在医疗用MEMS的加工中有良好的应用前景。

使用高密度微电极阵列来唤起或记录神经活动是神经假体领域里一项非常复杂且重要的研究课题。Green等用传统的PDMS和铂(Pt)箔材料通过飞秒激光微加工技术加工出可移植的高密度微电极阵列，结果表明使用激光微加工方法制取的微电极阵列表面结构一致且粗糙度较好，在阵列中最大电极点厚度约为200 μm。

氮化铝(AlN)材料在生物环境里的反应性很低， 非常适用于制作生物相容性器件。以蓝宝石为基体材料，在AlN薄膜表面加工出波导阵列结构，可与微流体系统结合用于药物传送。Safadi等利用准分子激光微加工技术在以蓝宝石为基体的AlN薄膜上加工出波导结构，该结构与微流体结合可在神经组织的药物传送方面发挥重要作用。

微创外科手术工具在生物医学诊断和治疗过程中扮演重要角色，而在很多微创外科手术工具中会涉及导管的使用。相比于传统的被动式导管，主动控制尖端式导管能够达到更高的精度和效率。Lee等通过激光微加工技术制备出聚吡咯(PPy)基人工肌肉驱动导管，并通过二维弯曲运动展示了所制取的四电极导管的可控性， 如图所示。通过将微加工制取的主动式导管与光学相干断层扫描相结合，使生物组织次表面可视化，证实使用这种结构设计具有较好的成像能力。

图 激光微加工制备的PPy基主动导管。(a) 四电极导管设计结构； (b) 激光微加工技术制备的四电极导管扫描电镜图； (c) 导管一端的PPy弯曲运动

硅晶片是制备生物医学元件常用的生物材料，Wongwiwat等研究了采用激光微加工技术在硅晶片表面加工的微通道阵列结构和方形结构对硅晶片生物特性的影响，表明硅晶片表面的微结构能够增强蛋白质的吸收。虽然这会促使心血管或血液相关的医疗器件在应用过程中产生血栓，但蛋白质吸收性能增强也可以促进细胞扩展，这对于生物医学移植微机电器件，如微芯片、压力传感器及给药系统等的应用是非常有益的。

3D形状的微纳纤维结构的制备问题一直是其在组织工程领域无法得到有效应用的难题。Kim等采用飞秒激光加工技术，在通过静电纺丝法制取的3D微纳纤维结构上加工出3D孔隙结构。

周围神经再生元件是一种由聚D乳酸(PDLA)和聚乙烯醇(PVA)等生物材料制作而成的多层聚合物结构，其中PDLA薄膜在4-6个月可降解， 而PVA薄膜在37 ℃条件下约两周内即可溶解。Kancharla等在2002年的实验结果说明激光微加工技术应用于生物可降解微型医学器件制备是可行的。

生物医学元件的小型化，特别是从生物微器械到生物纳器械的转变，是研究人员必将面临的挑战。在医疗器械的改善，疾病的预防、诊断及治疗方面，MEMS有着潜在的巨大应用前景。微小化是MEMS的重要特征， 随着MEMS技术在生物医疗领域的不断发展，如何精准、快速地加工出日趋复杂和精密的元器件已成为MEMS在生物医疗领域发展的重要课题。

激光微加工技术，使得传统微加工手段无法实现医用微机电产品，如医用导管、微芯片、给药系统等成为了可能。尽管激光微加工技术在生物医疗MEMS中的应用才刚起步，但基于激光烧蚀机理的脉冲激光直接微加工和激光立体平板印刷等技术得到越来越多的重视及研究，激光微加工技术必将推进MEMS在生物医疗上的广泛应用，并推动现代医疗工程的发展。

血管支架植入是治疗动脉硬化等血管疾病的有效手段，通过扩张术使血管或腔体在狭窄或闭塞的情况下保证血液能够流入闭塞的动脉， 而支架通常是由生物相容性较好的金属合金或有机聚合物加工而成的管网状结构假体。金属心血管支架植入是目前治疗冠状动脉阻塞应用最多的方法。

大多数支架都由金属制成，在植入后会永久存留在动脉中，存在引发严重医疗并发症的风险。为避免引起这类并发症，一个解决方案是使用聚左旋乳酸(PLLA)、聚乳酸(PLA)等材料制作而成的生物可吸收支架，但由于其熔点低， 对热效应极其敏感，加工这种生物可吸收材料是一项极具挑战性的任务，利用飞秒激光加工技术则可以有效控制样品支架结构的热损伤。

图 飞秒激光切割三角切口结构的(a)PLLA薄片和(b)局部结构

激光微加工作为一种不受材料限制的无接触“冷”加工技术，极大地降低了加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响。利用超短脉冲激光加工支架能够获得精确的网格结构和光滑的切割表面，并使激光束能量对支架材料产生的热影响降到最小。激光微加工非热消融的加工方式，从根本上使得生物可吸收支架技术变得可行。但激光微加工的血管支架造价昂贵、产量较低，如何使用该技术实现血管支架工业化批量生产是研究人员亟需解决的难题。

细胞组装技术是生物制造工程的核心，通过所制备支架的材料和结构影响细胞成长，从而间接控制细胞的组装，其关键就是3D基体支架的制造。支架的传统机加工制备方法难以形成微米级可控的孔隙结构，并且难以保证孔隙之间的完全贯通。自1993年Langer等首次将快速成型技术应用于组织工程支架制备以来，快速成型技术在制造生物支架的微细结构方面取得了不断的进步与发展。

激光快速成型技术采用激光束对成型材料进行选择性快速扫描，使材料逐层堆积，逐渐形成具有各种内部微观结构的3D实体结构，其加工过程突破了材料内部复杂结构的限制，在制造生物支架的微细结构方面有着其他传统制造工艺不可比拟的优势，能够很好地解决传统工艺在成型多孔细胞载体支架结构方面存在的问题。随着激光微立体光刻等激光微成型技术的不断发展，激光微加工成型技术在制造生物医疗领域必将带来新一轮的技术革新。

医疗设备是具有高附加值的产品，在质量方面要求严格，通常要求采用挑战性的工业制造工艺。微加工是当今制造业最为活跃的研究方向之一，微机械技术的发展水平已经成为一个国家综合实力的衡量标准之一。激光微加工是一种高精度、绿色环保的无接触加工工艺，具有很好的灵活性和可控性， 超短脉冲激光以其独特的脉冲持续时间短、峰值功率高等优越性能对传统的加工方法产生冲击，在生物医疗领域有着广阔的应用前景。激光微加工技术赋予生物材料新的结构和功能，充分调动人体自主修复的能力，实现被损坏的组织或器官的永久康复，已成为当代生物医学的发展方向。

虽然激光微加工技术可以微处理具有极端精细结构的新一代植入型医疗器械，让下一代植入型医疗器械商用变得可行，但是激光微加工技术在生物医学领域的发展还不够成熟，生产效率较低，工作稳定性还有待提高。对于激光微加工过程， 目前还没有形成一套完整的理论可以解释在超快、超短、超强的极端条件下激光与物质相互作用的物理本质，也不能很好地评估出激光微加工对材料结构及其物理化学性能造成的影响，下一步的工作仍需要大量基础性和规律性的研究，同时还需根据激光微加工的特性以及被加工材料的属性， 开发模拟分析软件，对微加工过程进行模拟和仿真，优化激光微加工过程的参数。