A lézerek kedvező tulajdonságainak köszönhetően az utóbbi évtizedekben több lézeres anyagmegmunkálási módszert dolgoztak ki, melyek közül sokat már alkalmaznak is az ipar és az orvostudomány számos területén, mások alkalmazhatóságát pedig jelenleg kutatják. Az alábbi kísérleteink során három anyagmegmunkálási eljárás (az impulzuslézeres vékonyréteg-leválasztás, anyagátvitel és felületmódosítás) potenciális orvosi alkalmazási lehetőségeit vizsgáltuk.
Abláció és impulzuslézeres vékonyréteg-építés
Nagy teljesítményű impulzuslézer nyalábját a céltárgyra fókuszálva, a besugárzás hatására a felületre merőlegesen plazmaállapotú anyagfelhő lép ki. Ezt a jelenséget ablációnak nevezzük. Ez egy komplex folyamat, mely függ az alkalmazott lézer paramétereitől és a céltárgy optikai, termikus és morfológiai tulajdonságaitól. Az ablációs anyagfelhő atomok, molekulák, ionok, mikronméretű szilárd törmelékek és olvadt cseppek egyvelege, mely nagy sebességgel terjed ki a felületre merőleges irányban. Ez az anyagfelhő felfogható egy, az útjába helyezett hordozón, ahol vékonyrétegként rakódik le. Az általunk alkalmazott kísérleti elrendezés vázlatát mutatja be az 1. ábra. A módszer előnye, hogy ha ez a cél, megfelelő leválasztási paraméterek mellett az anyag átlagos sztöchiometriája a folyamat során megmarad, az anyagfelhő nagy kinetikus energiája következtében tömör vékonyréteg hozható létre, és az egy impulzussal épített réteg vékonysága miatt jól meghatározott vastagságú film állítható elő.
Szervezetbarát teflon védőrétegek leválasztása allergén tárgyak felületére
Az allergia a test abnormális válaszreakciója egy vagy több olyan anyagra, amely ártalmatlan a legtöbb ember számára. Mindazt, ami allergiás reakciót vált ki, allergénnek nevezzük. Nagyon gyakori az egyes fémekkel szembeni allergia. Ennek legfőbb kiváltói a bőrrel gyakran érintkező fémtárgyak, mint például az ékszerek, karórák hátlapja, szemüvegkeret szára, evőeszközök stb., illetve a szervezetbe beépített fém gyógyászati segédeszközök, fogtömések, implantátumok. A leghatékonyabb védekezés: el kell kerülni minden közvetlen érintkezést az allergiát okozó tárgyakkal. Ennek egyik módja lehet például a fémtárgyak bőrrel érintkező felületének bevonása biológiailag semleges védő/szigetelő réteggel. Erre alkalmas anyag lehet a kémiai ellenállásáról jól ismert teflon. Az orvostudományban már számos területen alkalmazzák, főként implantátumok készítésére, mivel egészségügyileg teljesen veszélytelen. Kísérleteinkben célul tűztük ki olyan teflon vékonyrétegek előállítását, melyek alkalmasak lehetnek allergén tárgyak emberi testtől való elszigetelésére az allergiás reakciók elkerülése érdekében. A kísérletek során céltárgyként teflonporból préselt tablettákat sugároztunk be ArF excimer lézerrel (lambda=193 nm). Mind az infravörös (FTIR), mind pedig a röntgenfotoelektron-spektroszkópia (XPS) bebizonyította, hogy a céltárgy anyagával megegyező összetételű vékonyrétegeket tudtunk előállítani megfelelő kísérleti paraméterek alkalmazásával. Ezután már lehetővé vált fém (14 karátos arany, ékszerezüst, titán) tárgyak felületének teflon védőréteggel való bevonása. Az elkészült rétegeket utólagos hőkezelésnek vetettük alá. 360 oC-os kezeléssel közel átlátszó réteget sikerült előállítani. Az elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a hőkezelt réteg igen tömör (2. ábra). A felülnézeti képen (a) kristályszerű struktúrák láthatóak, míg a keresztmetszeti képen (b) a réteg belső szerkezete figyelhető meg. A vékonyrétegek megbízható és eredményes alkalmazásának szempontjából nézve fontos tényező, hogy mennyire tapadnak a bevont tárgyakhoz. Nyilvánvaló, hogy az a réteg, amelyik könnyen leválik kis erők vagy dörzsölés hatására, alkalmatlan védőrétegként. Ezért megmértük a réteg és a hordozó közötti tapadási szilárdságot. Ennek értéke meghaladta az 1-4 MPa-t az utókezelés hőmérsékletének függvényében. Megállapítottuk, hogy az általunk leválasztott teflon vékonyrétegek alkalmasak lehetnek az emberi test és az allergén tárgyak egymástól való elszigetelésére, és ez által az allergiás reakció elkerülésére.
"Fog-vékonyréteg" előállítása impulzuslézeres vékonyréteg-építéssel
Napjainkban a szájsebészetben és ortopédiában sokféle implantátumot alkalmaznak, melyek szervezetbe való beépülésének alapkövetelménye a biokompatibilitás. A csontokba ültetett, terhelésnek kitett implantátumok esetében a rájuk ható nyomás tartós elviselése szempontjából fontos az osszeointegráció, melynek során az implantátumok felszínén lévő mikropórusokba közvetlenül belenőnek a kötőszöveti sejtek. A fogimplantátumok az esetek bizonyos százalékában kilökődnek a szervezetből, vagyis a csontintegráció nem jön létre. A titán a leggyakrabban alkalmazott implantátumanyag. Biológiai szempontból a legalkalmasabb bevonat egy fogászati implantátum beépülésének elősegítésére maga a fog anyaga lenne. Az implantátum felületének saját fogszövet anyagával történő bevonása járható útnak látszik. Ezért kísérletet tettünk elsősorban a módszer kifejlesztése céljából "fog-vékonyréteg" előállítására PLD-vel (pulsed laser deposition, impulzuslézeres leválasztás), humán fogat használva kiinduló anyagként. Céltárgynak foggyökerek megőrlésével előállított porból préselt tablettákat használtunk. Kísérleteinkben kimutattuk, hogy megfelelő energiasűrűség mellett az eredeti fog anyagáéhoz hasonló kémiai összetételű vékonyrétegeket lehet előállítani. Implantátumok felületére leválasztott vékonyrétegek esetén a mikronméretű szemcsékből adódó érdesség (3. ábra) feltételezhetően nem okozna problémát, éppen ellenkezőleg, elősegíthetné az ebbe a mérettartományba eső sejteknek a felületen való megtapadását. Ennek ellenőrzésére sejttenyésztési kísérletek már folyamatban vannak.
Titán mintára növesztett vékonyréteg tapadását ún. ragasztószalagos teszttel vizsgáltuk, melynek során a vékonyrétegre ragasztószalagot simítottunk, majd lerántottuk róla. A ragasztószalag már első próbálkozásra sem távolított el számottevő anyagmennyiséget, a réteg nehezen sérthető volt.
Pepszin vékonyréteg leválasztása
Impulzuslézeres leválasztási technológia alkalmazásával egy emésztő enzimből, pepszinből is sikerült vékonyrétegeket készítenünk. A 0,38 és 5,1 J/cm2 közötti energiasűrűségek esetén növesztett rétegek kémiai összetétele hasonló volt a kiinduló anyagéhoz. Azonban az emésztési teszt kimutatta, hogy a kémiai hasonlóság nem feltétlenül jelenti az enzimatikus képesség megőrzését. A katalitikus képességüket a 0,38 és 1,22 J/cm2 energiasűrűséggel készített vékonyrétegeink őrizték meg, viszont 2,4 J/cm2-nél (és feltételezhetően ennél magasabb értékeknél) már elveszítették.
Biológiai minták kontrollált lézeres átvitele
A lézerindukált előre irányuló átvitel (Laser Induced Forward Transfer - LIFT) egy ún. direktírásos eljárás. Egy lézerimpulzus segítségével szétbontanak és átmásolnak egy abszorbeáló vékony filmet egy transzparens hordozóról egy, vele szemben párhuzamosan elhelyezett szubsztrátra. Kísérleteink során kidolgoztunk egy új átmásolási eljárást, amely a LIFT technika módosítása, s kísérleteink szerint lehetővé teszi biológiai objektumok kontrollált átvitelét. A transzparens hordozóra (kvarclap) felvittünk egy jól abszorbeáló, ezüst vékonyréteget. Ezen szélesztettük szét a biológiai célanyagokat, amelyek Trichoderma gomba spórája, illetve különböző típusú élő (sertés epithélium, patkány astroglia és Schwann-) sejtek voltak (4. ábra). Az átvitel ekkor úgy történik, hogy az 50-100 nanométeres ezüstfilm elnyeli és mozgási energiává alakítja a megmunkáló KrF excimer impulzus energiáját, elhagyja a hordozó felületét, s elindul a szubsztrát felé, maga előtt tolva a biológiai objektumokat, amelyeket egyúttal meg is véd az elnyelt energia okozta hő károsító hatásától.
Húszórás inkubációs idő eltelte után jól látható volt, hogy az átjuttatott konídiumok nagyon szépen kicsíráztak, a sejtek pedig néhány nap után szépen fejlődtek, azaz a lézeres átvitel során is életképesek maradtak (5. ábra). Mindez tehát azt mutatja, hogy a módosított eljárás, amelyet Absorbing Film Assisted Laser Induced Forward Transfer (AFA-LIFT)-nek neveztünk el, alkalmas lehet biológiai objektumok nagypontosságú, irányított lézeres átvitelére.
Sejtek megkötése lézerrel strukturált felületeken
Lézeres besugárzással a céltárgy felületének topográfiája, kémiai és mikromechanikai tulajdonságai is kontrolláltan módosíthatóak. Biológiai objektumok megkötésére alkalmaztunk UV lézeres megvilágítással strukturált polimer felületeket.
Polietilén-tereftalát filmek felületén periodikus struktúrát hoztunk létre ArF excimer lézeres ablációval. Atomierő-mikroszkópos vizsgálataink szerint a lézeres besugárzás által generált önszerveződő folyamatok eredményeként néhány mikrométeres periódusú, sokszöges mintázat jelenik meg. A struktúra periódusa a lézerfény beesési szögével hangolható, a 80° alatt megdöntött minták 25 lézerimpulzussal történő besugárzása esetében 1,25 mm periódusú, 150 nm modulációs mélységű, párhuzamos polimersávokból álló rácsot kapunk. Ezen lézerkezelt felületekre egészséges és az ún. neurofibromatózis nevű betegségben szenvedő páciensek bőréből mintavételezett sejteket (melanocitákat) helyezve azt tapasztaltuk, hogy a sejtek morfológiáját és orientációját a felület struktúrája határozza meg. A beteg melanocitáknak a kezeletlen felületen számos random módon orientálódott nyúlványuk van (6.a ábra), míg a strukturált felületrészen az egészséges sejtekhez hasonlóan a ráccsal párhuzamosan helyezkednek el és bipoláris alakúak (6.b ábra). Ezen eredményünk bizonyítja, hogy a lézerrel generált mikrométeres struktúrák alkalmazhatóak sejtek alakjának, valamint a morfológiával szoros kapcsolatban levő funkcióinak befolyásolására.
Lézerrel generált szubmikrométeres struktúrák alkalmazása a bioszenzorizációban
A bioszenzorok érzékenységének és specifikusságának tökéletesítésében az egyedi tulajdonságú polimerfelületek alkalmazása új távlatokat nyithat. A felület mikromechanikai tulajdonságainak feltérképezésére is alkalmas atomierő-mikroszkópos módszerrel kimutattuk, hogy a két UV lézernyaláb interferenciájának köszönhetően kialakuló intenzitásmoduláció hatására létrejövő szubmikrométeres felületi struktúrák jelenlétében a felület adhéziója is periodikusan modulált. A fehérjemolekulák a nagyobb adhéziójú völgyekben tapadnak meg, a rács modulációs mélységét csökkentve.
Spektroszkópiai (FTIR, XPS) vizsgálataink szerint a polimer UV lézerfény által okozott fotodegradációja befolyásolja a minta polaritását, a fehérjék helyszelektív megkötődése a periodikus topográfia és a periodikus kémiai és fázisátalakulások együttes eredménye.
Készült az OTKA (T046394, TS049872, D42228), az NKFP (3A/071/2004), az AMFK és a Bolyai János kutatási ösztöndíj támogatásával.
Kulcsszavak: abláció, átvitel, felületmódosítás, impulzuslézer, vékonyréteg-leválasztás
