由于植入介入式醫(yī)療器械需要進(jìn)入人體的原因，所以安全且有效是植入介入式醫(yī)療器械的核心指標(biāo)。無(wú)放射性、無(wú)毒、無(wú)污染以及與人體良好兼容性是其材料的一般選擇，這便要求在植入介入式醫(yī)療器械的加工過(guò)程中，需要保證材料的本征特性，這意味著不能對(duì)材料的物理、化學(xué)，以及結(jié)構(gòu)性質(zhì)造成不良的變化。因此，在人體介入式醫(yī)療器械的加工制備過(guò)程中，加工質(zhì)量是至關(guān)重要的因素。

器件的加工

目前植入介入式醫(yī)療器械的主流的加工技術(shù)包括：傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械加工和特種非接觸的激光加工。兩者各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但目前激光加工和制備已經(jīng)逐步在替代機(jī)械加工的部分技術(shù)，成為器件加工的首選技術(shù)。

主要是由于以下的重要因素：

◆非接觸式激光加工能夠最大程度降低加工工具可能導(dǎo)入的污染；

◆隨著器件尺寸微型化和精密化，由于機(jī)械加工頭尺寸的限制，接觸式機(jī)械加工越來(lái)越受限于微米尺寸的加工制約，而激光可以實(shí)現(xiàn)從厘米量級(jí)到納米量級(jí)的加工；

◆與生物相容和可降解的聚合物材料使用使得機(jī)械加工變得無(wú)能為力，激光可以通過(guò)光物理或者化學(xué)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)材料分解或者氣化，從而實(shí)現(xiàn)完美的器件制備；

◆在過(guò)去的10-20年中激光及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展和成熟，尤其是激光精密減材制造和增材技術(shù)，可以按照治療的需要設(shè)計(jì)形狀和尺寸，然后通過(guò)激光減材或者增材的方式直接完成器件的制備。

因此，激光加工技術(shù)可為植入介入式醫(yī)療器械的加工提供有效的解決方案。本文主要介紹在人體植入性器件的加工中如何選擇合適的激光光源。

激光光源的選擇

主要的醫(yī)療器件的材料有兩大類(lèi)：金屬和聚合物。根據(jù)激光與材料作用的機(jī)理來(lái)考慮，這兩種材料由于電子能帶結(jié)構(gòu)完全不相同，所以加工主要通道是不同的。與材料直接接觸的機(jī)械加工不同，激光加工需要把光子能量耦合到材料晶格通過(guò)熱解離或者光解離實(shí)現(xiàn)材料的去除。通過(guò)控制這個(gè)加工的通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工質(zhì)量的控制。一般在激光加工領(lǐng)域內(nèi)，通常接受一個(gè)解釋?zhuān)旱唾|(zhì)量的“熱加工”和高質(zhì)量的“冷加工”。

圖 1: 實(shí)現(xiàn)有效金屬和聚合物 “冷加工”主要通道圖

圖1總結(jié)出實(shí)現(xiàn)有效金屬和聚合物“冷加工”主要通道圖。

由此看出，對(duì)于金屬加工，最佳方案是使用短脈寬激光。這是由于金屬結(jié)構(gòu)中有大量的自由電子，所以材料去除（氣化）主要通過(guò)電子把能量轉(zhuǎn)移晶格來(lái)是實(shí)現(xiàn)。所以電子-晶格能量轉(zhuǎn)移的時(shí)間對(duì)于熱效應(yīng)的產(chǎn)生起著關(guān)鍵的作用。根據(jù)理論分析，這個(gè)時(shí)間尺度大約若干皮秒。表1列出幾種金屬（Ni,Fe,Ti,Pt）的臨界脈寬閾值，以及建議激光光源。鑒于絕大多數(shù)皮秒激光的脈寬都在10-20皮秒之間，所以對(duì)醫(yī)療應(yīng)用的金屬加工，本著質(zhì)量至上的原則，建議使用飛秒激光。

所有醫(yī)療用聚合物屬于高帶隙（很寬的電子能帶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有自由的載流子）的絕緣體，所以大多數(shù)聚合物在可見(jiàn)光甚至紫外波段都是透明的。所以，需要一定能量的光子激發(fā)載流子從價(jià)帶到導(dǎo)帶實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的解離（材料的分解）。因此，選擇高光子能量的激光成為聚合物的激光加工最初的選擇，如266nm的深紫外固體激光器。

表 1：不同金屬臨界脈寬閾值

圖 2: 英諾飛秒紅外 (1030nm) 和飛秒綠光（515nm）激光加工 PLA 的對(duì)比

使用超短脈沖激光（皮秒/飛秒）通過(guò)多光子非線(xiàn)性吸收/多光子解離。由于非線(xiàn)性吸收系數(shù)很小與波長(zhǎng)相關(guān)，因此即使使用皮秒/飛秒激光，人們還是選用盡可能短的波長(zhǎng)（綠光或者紫外等等）。另外，更由于聚合物的低熔點(diǎn)特性（<300℃）,必須冷加工才能保證材料特性不改變。圖2給出了英諾飛秒紅外(1030nm)和飛秒綠光（515nm）激光加工PLA的對(duì)比。飛秒紅外加工會(huì)有微量的熔融，而飛秒綠光加工保持材料的本征特性。

近十年來(lái)英諾激光一直耕耘激光在醫(yī)療器件應(yīng)用的技術(shù)開(kāi)發(fā)層面，有豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，根據(jù)聚合物器件的質(zhì)量要求，總結(jié)出有效的光源選擇。

表 2：聚合物類(lèi)介入式醫(yī)療器件加工的光源的建議

表2總結(jié)出對(duì)已一般常用的聚合物類(lèi)介入式醫(yī)療器件加工的光源的建議。

延伸閱讀

激光技術(shù)的最新進(jìn)步為精密加工注入了更強(qiáng)的能力，導(dǎo)管、心瓣膜和醫(yī)用支架，牙科植入物陶瓷材料的3D結(jié)構(gòu)制造等，多種核心醫(yī)療設(shè)備的制造上都離不開(kāi)激光工藝的應(yīng)用。憑借加工精度高、速度快、靈活性高、表面處理效果優(yōu)異等特點(diǎn)，激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備加工行業(yè)，對(duì)常規(guī)的材料進(jìn)行焊接、切割和打標(biāo)等處理。