此類疾病的治療以支架植入為主，如血管成形術(shù)或腔內(nèi)隔絕術(shù)，往往需要在手術(shù)過(guò)程中將一個(gè)甚至更多的支架植入血管。僅以心臟支架的市場(chǎng)而言，在美國(guó)，2013年冠狀動(dòng)脈的介入性手術(shù)就有120萬(wàn)例，中國(guó)則為60萬(wàn)例。考慮到中國(guó)心腦血管疾病患者人數(shù)的持續(xù)上升，以及數(shù)倍于美國(guó)的人口基數(shù)，未來(lái)各式支架的需求不可小覷。

認(rèn)識(shí)支架

支架為一網(wǎng)狀的管型材料，用來(lái)植入管道，支撐起病變的管道以恢復(fù)管道的運(yùn)輸功能，或是在隔絕術(shù)中用來(lái)輔助線圈隔絕血管瘤。

圖一：長(zhǎng)脈沖激光及超快激光加工比較示意圖

材料上一般支架可分為三代。第一代傳統(tǒng)支架，即裸金屬支架，將金屬支架安置在患處后，以氣球?qū)⒅Ъ軘U(kuò)張以支撐血管，或是使用壓縮后的支架，使其自行擴(kuò)張。第二代的支架為了降低血管植入支架后再狹窄，在支架上涂了一層藥物抑制血管壁增生，即藥物涂布支架，為目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的產(chǎn)品。由于前述的支架是永久性或半永久性的，植入后即留在該處，日后若要再度植入支架，需另尋他處。因此，第三代的可降解支架應(yīng)運(yùn)而生，可降解的材料在人體內(nèi)會(huì)溶解被吸收，支架植入后會(huì)逐步分解，約半年到一年內(nèi)支架會(huì)失去主結(jié)構(gòu)，屆時(shí)血管也已修復(fù)，不再需要支架。兩年后支架被吸收殆盡，不留痕跡。目前在歐美市場(chǎng)已有以高分子為材料、如聚乳酸的可降解支架，其他則有已經(jīng)展開(kāi)測(cè)試的鎂合金等可降解金屬支架。

支架的制造方式包含“由大做小”的激光切割、等離子切割、電火花加工、光蝕刻，或是“由小做大”的編織、鑄造、電鑄、3D打印等。其中，由于激光切割的支架質(zhì)量好，自動(dòng)化程度高，且成本較低，激光切割已成為支架制作的主流方式。

激光切割支架

支架是個(gè)復(fù)雜精細(xì)的醫(yī)療產(chǎn)品，需要同時(shí)符合多種要求。理想的支架具有良好的機(jī)械性能，可以壓縮、擴(kuò)張且足以撐起肥厚的血管。支架也需要適當(dāng)?shù)钠交纫酝扛菜幬?，并讓血管?xì)胞附著。良好的抗腐蝕性及生物相容性也是支架必備的性質(zhì)。另外支架需要良好的顯影性，以便醫(yī)療人員定位、追蹤支架。若是切割的支架，表面不能留有毛刺或融渣及尖角，避免傷害血管。上述的性質(zhì)中，支架的制造方式影響機(jī)械性及表面型貌極為重要，因此合格的支架需要高工藝水平的制造技術(shù)。

現(xiàn)今主流的支架切割采用微秒級(jí)的光纖激光，但由于激光加工本身是熱加工，用激光將金屬熔融再以高壓氣體吹走，不但加工后會(huì)留下許多融渣、毛刺，加工時(shí)的熱容易氧化支架表層使其脆化，殘余熱應(yīng)力亦會(huì)造成微裂痕而降低機(jī)械性質(zhì)。因此光纖激光加工完的支架需要一系列的后處理，包含清洗、研磨、酸洗、鈍化、到最后的電化學(xué)拋光，工序繁瑣且耗時(shí)。這些后續(xù)處理也會(huì)損耗部分的支架，最終的良率只有七成左右，約三成的耗損意味著巨大的損失。

相較之下，使用超快激光切割支架則使后續(xù)處理簡(jiǎn)單許多。超快激光，或稱超短脈沖激光，其脈寬只有10 皮秒（10-12 秒）到數(shù)百飛秒（10-15 秒），可以實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)熱效應(yīng)的“冷”加工。與微秒級(jí)激光的熔融機(jī)理不同，超快激光超短的脈寬帶來(lái)的極高的峰值功率會(huì)產(chǎn)生多光子吸收，將材料略過(guò)熔融過(guò)程直接蒸發(fā)。因此超快激光能以相對(duì)低的能量加工材料，無(wú)殘余熱、無(wú)殘?jiān)粼诓牧仙?，達(dá)成高精度且干凈的加工。以超快激光切割支架，可以省略許多后續(xù)工序，一般來(lái)說(shuō)，清潔完的支架可以直接進(jìn)行電化學(xué)拋光。由于制程的簡(jiǎn)化，良率可以提高到九成以上。

圖二：光纖激光和超快激光切割的鎳鈦合金支架比較圖。圖左由光 纖激光切割，圖右由超快激光切割。

圖二為光纖激光和超快激光切割的鎳鈦合金支架軸向比較圖，圖左的支架由光纖激光切割，圖右的支架則由超快激光切割。從圖中可以看見(jiàn)光纖激光切割的支架內(nèi)壁上熔渣的尺寸甚至大過(guò)管壁的厚度，且由于熔渣阻礙，無(wú)法將落料移除，需要先研磨才可將之去除。研磨內(nèi)壁不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且容易磨出豁邊，造成機(jī)械性能的下降。如圖右所示，由超快激光所切割的支架，不但沒(méi)有熔渣而且表面光滑。

無(wú)法切小尺寸的支架是光纖激光的另一個(gè)劣勢(shì)。由于光纖激光的熱效應(yīng)強(qiáng)，當(dāng)管子的直徑太小或壁厚太薄的時(shí)候，激光加工的熱容易聚集在一起。一旦切割圖形復(fù)雜（如支架），強(qiáng)烈的熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響支架的性質(zhì)，即使后處理也無(wú)法滿足前述支架所需的品質(zhì)。一般而言，光纖激光切割支架的限制約在2mm，壁厚200μm。由于沒(méi)有熱效應(yīng)，超快激光的切割限制非常小，可以達(dá)到直徑400μm 以下、壁厚數(shù)十微米的尺寸。

圖三：內(nèi)壁擊傷比較示意圖

光纖激光的另一個(gè)局限是容易擊傷內(nèi)壁。由于光纖激光需要高功率才足以切穿管壁，使光能持續(xù)前進(jìn)，到達(dá)管子對(duì)面的內(nèi)壁。即便激光已經(jīng)發(fā)散，光纖激光的高光通量仍然高過(guò)材料的損傷閾值，足以擊傷內(nèi)壁。被擊傷的內(nèi)壁不但會(huì)降低機(jī)械性能，也會(huì)弱化支架抗腐蝕的性能。超快激光需要的功率小，當(dāng)激光切穿管壁后再經(jīng)發(fā)散達(dá)到對(duì)面的內(nèi)壁時(shí)，其光通量已不足擊傷內(nèi)壁，因此不會(huì)降低支架性能。

圖四：超快激光切割細(xì)304 不銹鋼管。圖左為管子方形槽全貌，圖右為管子對(duì)面內(nèi)壁。

圖四為超快激光在304 不銹鋼管上切割方形槽。圖左顯示，加工區(qū)域的周邊沒(méi)有熱效應(yīng)，切割邊緣沒(méi)有熔渣和毛刺。圖右的顯微鏡照片聚焦在管子對(duì)面的內(nèi)壁，內(nèi)壁表面干凈連續(xù)，沒(méi)有擊傷。

超快激光切割金屬支架

利用金相顯微鏡從支架截面觀察金相，可以看出熱效應(yīng)是否存在，熱效應(yīng)會(huì)改變金屬晶粒的大小，因此若熱效應(yīng)存在，則位于切割邊緣附近的晶粒大小會(huì)與本體的晶粒不同。圖五為一超快激光切割的316L 不銹鋼支架。如圖左的紅線所示，金相觀察的截面為支架的彎角，該處圖形最復(fù)雜，為熱最不易散去的地方。圖中為支架截面的金相，圖右則是作為對(duì)照觀察的未加工過(guò)的316L 不銹鋼管。晶相從支架與對(duì)照的比較看不出差異，且支架的晶相連續(xù)，切割邊緣無(wú)不同的晶相存在，表示以超快激光切割的該支架不存在熱效應(yīng)。圖四為支架的局部照片。

圖五：超快激光切割的316L 不銹鋼支架的金相觀察。圖左為金相 截面位置示意圖，圖中為不銹鋼支架金相，圖右為未加工的316L 不銹鋼管金相

由于該316L不銹鋼管是焊接而成，焊接的熱效應(yīng)會(huì)留在焊縫附近的組織里。圖七可看見(jiàn)未受熱影響以及受到熱影響的晶相差異。而在超快激光切割的支架上，并未發(fā)現(xiàn)這種差異。

圖六：超快激光切割316L 不銹鋼支架

圖八的電子顯微鏡照片是以超快激光切割的鎳鈦合金支架。從圖右的局部照片可以看到，沒(méi)有任何熔渣或毛刺。

圖七：316L 不銹鋼管焊接區(qū)域的熱影響

超快激光切割可降解材料支架

由于超快激光無(wú)熱加工的特性，使得激光加工低熔點(diǎn)材料變?yōu)榭赡?，以支架而言，如鎂合金或是聚乳酸等高分子支架。由于這類支架低熔點(diǎn)及可降解的特性，切割后無(wú)法使用一般金屬支架的后處理，因此只能使用超快激光切割。


圖八：超快激光切割鎳鈦合金支架。圖左為支架主結(jié)構(gòu)，圖右是支架彎角內(nèi)壁局部特寫(xiě)。

鎂易燃且熔點(diǎn)低，光纖激光切割鎂合金支架時(shí)熔融嚴(yán)重，大量的熱甚至?xí)a(chǎn)生燃火現(xiàn)象。采用超快激光切割鎂支架，不但沒(méi)有熔融，無(wú)熱加工也避免燃燒的危險(xiǎn)。圖九為鎂合金支架。由圖可見(jiàn)，超快激光切的鎂合金支架沒(méi)有熔渣、毛刺，切割面非常平滑。

圖九：鎂合金支架。圖左為支架主結(jié)構(gòu)，圖右是切割面局部特寫(xiě)。

高分子材料的熔點(diǎn)比金屬的熔點(diǎn)低許多，如聚L- 乳酸（PLLA）僅有180℃，因此高分子支架對(duì)熱效應(yīng)更加敏感。一旦可降解高分子熔融后再結(jié)晶，其在人體內(nèi)的降解速度即會(huì)改變，不滿足可降解支架的需求。常見(jiàn)評(píng)估切割質(zhì)量的指標(biāo)是觀察切割面的形貌，理想的切割面為毛砂面。不像金屬講求平滑，若聚乳酸的切割面平滑光亮，表示高分子熔融后又再結(jié)晶，因此平滑的切割面是不合格的。

圖十：超快激光切割聚乳酸類支架。圖左為聚乳酸，圖右為聚L- 乳酸。圖十是超快激光切割的聚乳酸類高分子可降解支架。從圖可見(jiàn)，切割面是完整連續(xù)的毛砂面，沒(méi)有毛刺，無(wú)明顯的熱效應(yīng)。

超快激光器推動(dòng)支架的升級(jí)與發(fā)展

由上述的例子可見(jiàn)，超快激光切割支架，不論在能力或質(zhì)量上均明顯優(yōu)于光纖激光。超快激光切割金屬支架的質(zhì)量?jī)?yōu)越，縮短實(shí)際的支架制造時(shí)間。而對(duì)于光纖激光無(wú)法切割的第三代可降解支架，超快激光則是最理想的解決方案。