CN112198567A - 一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构，属于激光应用技术领域。该复眼结构的加工方法是通过在具有凹球面形的玻璃表面采用飞秒激光逐点扫描形成微坑缺陷阵列，之后采用氢氟酸(HF)溶液刻蚀玻璃样品得到具有微凹透镜阵列的玻璃样品，之后再次利用飞秒激光在样品上加工出多孔的微纳复合结构表面，以该表面为模板，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其形状进行复刻得到表面具有多孔微纳复合结构的复眼结构，并在微纳复合结构表面上灌注硅油，实现表面具有超滑性质的复眼结构。该复眼结构的加工方法效率高，无需精确控制材料的去除量，为临床内窥镜手术提供了一种简单高效、耐久性好、适用范围广的方案。

Description

一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构，属于激光应用技术领域。

背景技术

内窥镜在医学领域具有广泛的应用，清晰的视野对于内镜手术的安全性和效率至关重要，因此维持内窥镜在体内的清晰成像具有重要的临床应用价值。内窥镜视野受损一般有三个原因：表面凝结液体、血液或组织液污染、外科设备划伤表面。由于外界温度通常低于体内温度且体内湿度较大，内窥镜进入体内时会瞬间成雾；与内窥镜镜头成雾相比，血液或组织液污染往往是突然的，但却并不少见，尤其是在能量器械切开组织或电凝止血过程中，组织、液体沸腾产生泡沫，飞溅到镜头上污染视野；内窥镜在应用过程中有时会配合外科设备一起使用，可能会发生碰撞的情况造成内窥镜表面被划伤，影响成像。目前最常用的解决办法有镜头表面活性剂法、组织擦拭法和镜头预热法。镜头表面活性剂法是在镜头表面喷涂表面活性剂，降低界面张力，减少水滴形成，从而起到防雾的作用，但该方法的表面活性剂易被擦除，在长时间使用时需二次补充；组织擦拭法是内窥镜在使用过程中成像受损后直接在体内大网膜表面擦拭，不必将内窥镜取出体外，但这些组织表面必须无血或其他渗液，否则会适得其反，因此该方法最开始效果较好，但手术中期效果欠佳；镜头预热法是将内窥镜放入热生理盐水中浸泡预热，缩小镜头表面与周围环境的温度差，从而起到防雾的效果，但该方法使用超过半小时后需要重复处理镜头，并且该方法准备时间较长，热生理盐水撒出污染、烫伤等等意外也时有发生。

以往的内窥镜主要以二维平面成像为主，但二维内窥镜限制了深度感知，而深度感知被广泛认为是手术中准确有效运动的重要参数。最近几年，一种新的3D内镜技术被引入，该技术在内窥镜远端的单个视频芯片前使用透镜阵列来生成手术视野的立体视图，被称为人工复眼技术，该技术振兴了3D内窥镜手术领域。人工复眼结构的灵感来源于自然界的昆虫，如蜻蜓、蜜蜂、果蝇等，相比于单眼，复眼具有体积小、景深大、对运动物体敏感性高等优点，广泛应用于机器人视觉、三维成像、目标跟踪、导航、监测、医学等领域。人工复眼结构的加工方法主要分为在平面上加工后转移或弯曲，以及直接在曲面上加工两大类，前者在将平面微透镜阵列变形为三维曲面几何的转移或弯曲过程中，由于微透镜阵列不同部位的应变力分布不均匀，不可避免地会导致单个透镜的变形，这将严重降低器件的性能；后者受限于加工精度的限制，特别在加工灵活的三维曲面结构时需要更复杂的工艺过程。飞秒激光由于能够突破衍射极限进行加工，并且加工灵活，可设计性强，能够很大程度上解决上述问题。通常飞秒激光扫描辅助化学刻蚀方法加工复眼结构先在具有曲面的硬质材料如玻璃、蓝宝石等表面产生表面缺陷，再辅以化学刻蚀进行处理，一方面加快了腐蚀速率，另一方面也使缺陷面更加光滑，腐蚀后的微透镜表面均匀、光滑，成像质量高。但是传统的飞秒激光扫描辅助化学刻蚀方法加工的传统复眼结构表面容易被雾化、易被液体污染、划伤后不可修复，因此严重限制了其在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决复眼结构应用在内窥镜领域时表面易被雾化、易被液体污染和损伤后无法自修复的问题，提供一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构。该复眼结构的加工方法是通过在具有凹球面形的玻璃表面采用飞秒激光逐点扫描形成微坑缺陷阵列，之后采用氢氟酸(HF)溶液刻蚀玻璃样品得到具有微凹透镜阵列的玻璃样品，之后再次利用飞秒激光在样品上加工出多孔的微纳复合结构表面，以该表面为模板，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其形状进行复刻得到表面具有多孔微纳复合结构的复眼结构，并在微纳复合结构表面上灌注硅油，实现具有超滑性质的复眼结构表面。该复眼结构的加工方法效率高，无需精确控制材料的去除量，为临床内窥镜手术提供了一种简单高效、耐久性好、适用范围广的方案。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构，其表面具有通过飞秒激光加工出的多孔微纳结构，在多孔微纳结构表面滴加硅油，由于多孔结构强大的吸附力，所述硅油在表面张力的作用下形成一层稳定的硅油膜，膜具有防雾、抗污、润滑、自愈性；

上述复眼结构的制备方法，具体步骤如下：

步骤一：以具有凹球面形的K9玻璃样品作为基底材料，并以K9玻璃样品上表面最低点为扫描中心，采用飞秒激光逐点环形扫描的方式在玻璃样品的凹球面上加工出环形微坑缺陷阵列，每个微坑周围会形成均匀的改性区域；

步骤二：将样品在室温下放入HF溶液中进行刻蚀得到微凹透镜阵列，之后再次利用飞秒激光在微凹透镜阵列的玻璃样品上直写加工出多孔的微纳复合结构，形成具有多孔微纳复合结构的K9玻璃微凹透镜阵列；

步骤三：以具有多孔微纳复合结构表面的K9玻璃微透镜阵列作为模板，将PDMS溶液浇筑在其表面，在真空环境下去除溶液内部的气泡，之后进行固化、脱模得到具有多孔微纳复合结构的复眼表面；

步骤四：将硅油灌注在具有多孔微纳复合结构的复眼表面上，在毛细力的作用下被稳定吸附在多孔结构中，同时由于PDMS本征疏水亲油，在PDMS微透镜阵列表面形成一层稳定的硅油膜，最终制备出一种表面具有超滑性质的复眼结构。

一种基于飞秒激光制备表面具有超滑性质的复眼结构的装置，包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、分束镜、白光源、电荷耦合器件(CCD)、二向色镜、显微物镜、六自由度平移台、计算机控制系统；

连接关系：飞秒激光系统、衰减片、机械开关、分束镜、白光源、CCD、二向色镜、显微物镜同轴放置，加工样品被放置在六自由度平移台中心；

光路：飞秒激光系统产生超短脉冲飞秒激光后，经衰减片调整激光能量，利用计算机控制系统控制机械开关来调节辐照到样品表面的脉冲个数；调节后的激光经二向色镜改变方向垂直入射到显微物镜中，并聚焦后辐照在位于六自由度平移台中心的样品表面；在此过程中白光源产生的白光经过分束镜、二向色镜、显微物镜后照射在样品的加工区域，之后原路返回至分束镜，分束镜改变反射光传播方向入射到CCD中，以此实现对加工过程的实时监控。

有益效果

1、本发明采用的飞秒激光微加工技术是加工微纳米尺度复合结构的最有效技术之一，飞秒激光加工K9玻璃能够产生特有的多孔微米结构，同时在多孔微米结构上附着有纳米颗粒。

2、本发明通过上述方法步骤二制备的具有多孔微纳复合结构的K9玻璃微凹透镜阵列模具可以反复多次复刻出PDMS复眼结构，降低了加工成本，同时PDMS材料的成本低，在临床中可一次性使用，安全有保障。

3、本发明中硅油在毛细力作用下能够被吸附到多孔微米级结构中，同时纳米级结构增加了硅油在PDMS表面的润湿性，从而通过PDMS微透镜阵列表面张力形成一层稳定的、光滑的硅油膜，PDMS与硅油无毒性，经常被用于人体内，极大地丰富了使用场景。

4、本发明由于硅油膜的存在，原有的镜头与液体接触由固-液接触转变为固-液-液接触，有效实现了防雾、抗血液和抗组织液污染的目的；硅油本身具有的润滑性质使复眼结构用作内窥镜时，其进入人体的过程更加顺畅；此外，由于硅油膜的流动性，使细菌无法大量繁殖(细菌需要固定的落脚点才能繁殖)，起到了抗菌的作用，同时对于镜头表面的划伤，硅油膜也可迅速流到划痕处，因而复眼结构具备自修复的能力。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于飞秒激光制备表面具有超滑性质的复眼结构的方法的光路搭建示意简图。

图2为本发明制备表面具有超滑性质的复眼结构加工过程原理图，其中图2(a)为飞秒激光环形扫描制造微缺陷改性区示意图；图2(b)为使用氢氟酸刻蚀样品示意图；图2(c)为飞秒激光在刻蚀后的样品上直写扫描加工多孔微纳结构示意图；图2(d)为使用液态PDMS对玻璃样品进行复刻的示意图；图2(e)为PDMS倒模后脱模的示意图；图2(f)为在脱模后的PDMS样品上灌注硅油示意图。

图3为飞秒激光在K9玻璃表面加工的多孔微纳复合结构扫描电镜图，其中图3(a)为放大6000倍后K9玻璃表面的多孔微纳结构形貌；图3(b)为放大20000倍后K9玻璃表面的多孔微纳结构形貌。

图4为水滴在传统PDMS复眼结构上与本发明复眼结构上的效果对比示意图，其中图4(a)为传统PDMS复眼结构水平放置时，水滴被粘附在复眼结构表面示意图；图4(b)为传统PDMS复眼结构倾斜放置时，水滴由于粘附力的存在依然被固定在复眼结构表面无法滑落的示意图；图4(c)为水滴即使在水平放置的超滑复眼结构上，仅依靠重力分布不均匀也能自由滑落的示意图。

图5为传统复眼结构与本发明复眼结构在高湿度条件下两者成像的光学显微镜图，其中图5(a)为传统复眼结构在高湿度条件下的光学显微镜成像结果；图5(b)为具有超滑性质的复眼结构在高湿度条件下的光学显微镜成像结果。

其中，1-飞秒激光系统、2-衰减片、3-机械开关、4-分束镜、5-白光源、6-CCD、7-二向色镜、8-显微物镜、9-样品、10-六自由度平移台、11-计算机控制系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

实现一种飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构，包括如下步骤：

(1)如附图1所示，飞秒激光系统1产生波长为800nm，脉宽50fs，重频1kHz的高斯型激光，经过衰减片2改变激光能量，通过计算机系统11控制机械开关3的通断，并通过二向色镜7改变激光方向，使激光垂直入射到显微物镜8(50×，NA＝0.6)中；经物镜聚焦的飞秒激光照射在样品9表面，其被固定在六自由度平移台10上；在此过程中，通过白光源5发出的白光经过分束镜4、二向色镜7、显微物镜8照射在样品9的加工区域，并沿原路返回至分束镜4，分束镜4改变返回白光传播方向至CCD 6中来实时观测样品的加工情况。

(2)如附图2(a)所示，将直径为6mm、焦距为18mm、中心厚度2mm具有凹球面形的K9玻璃样品9固定在六自由度平移台10上，利用衰减片2将激光功率调节至3mW，通过计算机控制系统11控制六自由度平移台10以样品9上凹球面最低点为中心进行逐点环形扫描，飞秒激光在样品9上的每个辐照点之间的间距为0.1mm，并配合机械开关3使得每个辐照点的脉冲沉积个数为500个，得到微坑缺陷阵列；之后将得到的样品取下进行超声清洗后放入10％HF溶液中刻蚀60min，如附图2(b)所示，在室温下进行刻蚀得到微透镜阵列。

(3)如附图2(c)所示，将步骤(2)中得到的样品重新固定在六自由度精密位移平台10上，重复(1)的步骤并将激光功率调节至10mW且将显微物镜8的NA＝0.6(50×物镜)降低至NA＝0.4(20×物镜)。通过计算机控制系统11控制六自由度平移台10以(2)中得到样品的凹球面最低点为中心进行直写环形扫描烧蚀。当飞秒激光脉冲照射K9玻璃表面时，K9玻璃表面的非线性吸收将触发雪崩电离。脉冲的能量部分被K9玻璃表面吸收，在K9玻璃表面上形成一层薄的熔体层，能量被瞬间从电子转移到晶格中，并进一步扩散到K9玻璃样品中。同时，随着高压等离子体的膨胀，电离物质被抽离并喷射出来，对K9玻璃表面造成损伤，产生多孔的微米结构，如附图3(a)所示；此外，熔融状态下喷射出的纳米粒子落回加工多孔表面并凝固，如附图3(b)所示，最终形成具有多孔的微纳复合结构的加工表面。该步骤制备的K9玻璃微凹透镜阵列作为模具可多次重复使用。

(4)如附图2(d)所示，以步骤(3)中得到的样品为模板，将PDMS胶体与固化剂以10：1的比例搅拌混合后浇筑在其表面，在真空环境下放置1h去除胶体内部的气泡，并在80℃的温度下加热3个小时进行固化。固化之后脱模得到表面具有多孔微纳复合结构的PDMS复眼结构，如附图2(e)所示。

(5)如附图2(f)所示，将硅油灌注在步骤(4)中得到的复眼结构中，之后将样品竖直放置10min以消除多余的硅油。PDMS与硅油具有良好的亲和性，同时纳米结构能够进一步增加硅油在PDMS表面的润湿性，并且其表面的多孔微米结构与硅油之间的毛细力使得硅油能够被稳定地储存在PDMS的多孔微米结构中，以至于在PDMS复眼结构表面能够形成一层硅油膜。

(6)由于防雾、抗液体污染、抗菌的本质是被排斥液体无法固定在复眼结构表面，而本发明中的硅油膜能够稳定存在复眼结构表面实现润滑效果。附图4为本发明与传统复眼结构排斥液体的效果对比示意图，附图4(a)为传统PDMS复眼结构表面与水滴的接触示意图，其接触模型为Wenzel模型，虽然PDMS材料本征疏水(水滴与固体接触角>90°)，但水滴与PDMS固体表面的粘附力非常大，以至于当倾斜较大的角度时，如附图4(b)所示，水滴依然不会下落；附图4(c)为通过本方法制备的具有超滑性质的复眼结构与水滴的接触示意图，由原来的固(PDMS)-液(水/血液/组织液)接触转变为固(PDMS)-液(硅油)-液(水/血液/组织液)接触，即使样品不倾斜，单纯依靠水滴自身重力分布不均也可自由滑落，通过润滑油的超滑性质实现水滴在复眼表面的滑动。

(7)由于硅油膜的存在，消除了水滴/血液/组织液与固体之间的粘附力，实现在人体环境中防雾、抗血液和组织液污染的目的，以防雾为例，附图5为传统复眼结构与本发明复眼结构在85％湿度条件下成像性能的对比，如附图5(a)所示，传统复眼结构在高湿度环境中成像性能严重下降，但使用本发明具有超滑性质的复眼结构却能在高湿度环境中依然保持良好的成像效果，如附图5(b)所示；硅油膜本身具有的润滑性质，减少了内窥镜与人体组织之间的摩擦，使进入人体的过程更加顺畅；由于细菌繁殖需要固定的落脚点，而硅油膜的流动性导致细菌无法固定在复眼结构表面，使具有超滑性质的复眼结构具有抗细菌繁殖的作用；此外，对于内窥镜手术中与外科设备可能的碰撞造成的划伤，硅油膜的流动性可迅速流到划伤处重新形成一层光滑的硅油膜，使复眼结构具备自修复的能力。

最终，一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构具备无毒性、润滑性好、防雾、抗血液和组织液污染、抗菌、自愈性好的能力，可应用于医疗内窥镜领域。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于飞秒激光制备的表面具有超滑性质的复眼结构，其特征在于：复眼结构表面具有通过飞秒激光加工出的多孔微纳结构，在多孔微纳结构表面滴加硅油，由于多孔结构强大的吸附力，所述硅油在表面张力的作用下形成一层稳定的硅油膜，膜具有防雾、抗污、润滑、自愈性。

2.制备如权利要求1所述复眼结构的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：以具有凹球面形的样品作为基底材料，并以样品上表面最低点为扫描中心，采用飞秒激光逐点环形扫描的方式在玻璃样品的凹球面上加工出环形微坑缺陷阵列，每个微坑周围会形成均匀的改性区域；

步骤二：将样品在室温下放入腐蚀溶液中进行刻蚀得到微凹透镜阵列，之后再次利用飞秒激光在微凹透镜阵列的玻璃样品上烧蚀加工出多孔的微纳复合结构，形成具有多孔微纳复合结构的样品微凹透镜阵列；

步骤三：以具有多孔微纳复合结构表面的样品微透镜阵列作为模板，将PDMS溶液浇筑在表面，在真空环境下去除溶液内部的气泡，之后进行固化、脱模得到具有多孔微纳复合结构的复眼表面；

步骤四：将硅油灌注在具有多孔微纳复合结构的复眼表面上，在毛细力的作用下被稳定吸附在多孔结构中，同时由于PDMS本征疏水亲油，在PDMS微透镜阵列表面形成一层稳定的硅油膜，最终制备出一种表面具有超滑性质的复眼结构。

3.实现如权利要求2所述方法的装置，其特征在于：包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、分束镜、白光源、电荷耦合器件(CCD)、二向色镜、显微物镜、六自由度平移台、计算机控制系统；

飞秒激光系统产生超短脉冲飞秒激光后，经衰减片调整激光能量，利用计算机控制系统控制机械开关来调节辐照到样品表面的脉冲个数；调节后的激光经二向色镜改变方向垂直入射到显微物镜中，并聚焦后辐照在位于六自由度平移台中心的样品表面；在此过程中白光源产生的白光经过分束镜、二向色镜、显微物镜后照射在样品的加工区域，之后原路返回至分束镜，分束镜改变反射光传播方向入射到CCD中，以此实现对加工过程的实时监控。

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