數(shù)十年來(lái)，支架、人工晶狀體和假肢等植入型醫(yī)療器械已改變了整個(gè)醫(yī)療界。例如，每年全世界范圍內(nèi)有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的支架被用于治療各種由血管變窄和阻塞引發(fā)的血管和血管內(nèi)疾病。同樣，每年有數(shù)百萬(wàn)人工晶狀體被用于修復(fù)白內(nèi)障患者的視力。
激光器在加工植入型醫(yī)療機(jī)械中起著關(guān)鍵作用。激光器可以進(jìn)行精確控制，從而高效地將多種精選材料精準(zhǔn)地微加工成植入型醫(yī)療器械所需的復(fù)雜幾何體。在制造冠狀動(dòng)脈支架時(shí)，激光切割從一開(kāi)始應(yīng)用就取得了成功。早先的支架由不銹鋼制成，體積相對(duì)較大，零件的幾何特征公差在±25µm上下。使用納秒脈沖紅外激光器進(jìn)行激光切割，就能輕易地滿足這一層次的加工精確度要求。
但是納秒激光器脈沖與材料的熱作用通常會(huì)導(dǎo)致金屬零件表面光潔度不理想，從而需要去毛刺、熔融和重鑄等。此外，材料中的熱量沉積將會(huì)在切割邊緣旁邊產(chǎn)生狹窄的熱影響區(qū)域。在熱影響區(qū)域內(nèi)，材料屬性或成分會(huì)發(fā)生變化。這意味著激光切割技術(shù)只能局限于大量生產(chǎn)支架，之后需要進(jìn)行數(shù)個(gè)昂貴而費(fèi)時(shí)的后期處理措施來(lái)移除粗糙邊緣。通常要進(jìn)行清潔、去毛刺、蝕刻和精拋光等步驟來(lái)讓支架表面達(dá)到植入型器械所需的水平和一致性。
飛秒激光器的改進(jìn)
近年來(lái)，植入型醫(yī)療器械日益復(fù)雜，所使用材料的加工難度也在加大。例如，應(yīng)用于外周動(dòng)脈血管的小型支架。另外一種趨勢(shì)是給支架和假肢增加一層可控的表面構(gòu)造或幾何結(jié)構(gòu)來(lái)提升生物相容性，降低術(shù)后再狹窄的風(fēng)險(xiǎn)。新型生物可吸收材料則給加工這些醫(yī)療器械提出了另外一種挑戰(zhàn)。
飛秒激光器是一種使能技術(shù)，可以微處理新一代植入型醫(yī)療器械極端精細(xì)的結(jié)構(gòu)和新型材料。飛秒激光器脈沖持續(xù)時(shí)間比傳統(tǒng)納秒激光器要短100,000倍。通過(guò)這些超短脈沖，激光能量進(jìn)入材料，并帶著膨脹等離子在熱量進(jìn)入材料之前離開(kāi)。這通常被稱作“冷”或“非熱”激光消融。其突出特性在于可以顯著清潔微型加工形狀，通常不再需要進(jìn)行去毛刺、熔融、重鑄，也不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)域。
飛秒激光器已有數(shù)十年的歷史。但直到最近，它們依然造價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，需要經(jīng)常進(jìn)行性能優(yōu)化以滿足生產(chǎn)車間的需求。但是， Spectra-Physics公司的Spirit飛秒激光器是一種可靠度高，堅(jiān)固耐用性產(chǎn)品，在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。
為了展示Spirit飛秒激光器的性能，我們微加工了超精細(xì)鎳鈦諾金屬支架，如圖1所示。管子直徑只有4.25mm，壁厚45µm，支柱寬度為35µm。我們發(fā)現(xiàn)這一精巧的格架結(jié)構(gòu)加工公差小，未產(chǎn)生熱影響區(qū)域，未發(fā)生熱變形，邊緣輪廓極其鮮明。
生物可吸收支架
大多數(shù)商用支架都由金屬制成，在植入后會(huì)永久存留在動(dòng)脈中，存在引發(fā)嚴(yán)重醫(yī)療并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。避免這類并發(fā)癥的一個(gè)解決方案是使用由生物可吸收材料支撐的支架，這種支架在完成使命后能溶解入人體。但是，加工這種生物可吸收材料是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
生物可吸收支架常用的材料有PLLA（聚左旋乳酸）和PLGA（乳酸羥基乙酸共聚物）。這些材料熔點(diǎn)低，因此無(wú)法經(jīng)受傳統(tǒng)納米激光加工的熱影響。飛秒激光器的非熱消融通過(guò)提供一種可行的制造方案，從根本上使得生物可吸收支架技術(shù)變得可行。需要注意的是，在這些高靈敏度材料中，即使是飛秒激光器也會(huì)留下受熱導(dǎo)致的損害。但是，通過(guò)細(xì)致的性能優(yōu)化激光輸出參數(shù)，還是可以實(shí)現(xiàn)非熱消融。這對(duì)于脈沖更長(zhǎng)的激光器就不適用了。例如使用皮秒激光器加工這些材料，就只能實(shí)現(xiàn)熱加工，從而導(dǎo)致PLLA材料大量融化和起泡。圖2展示了使用Spirit工業(yè)激光器進(jìn)行加工的成果。材料是80µm厚的PLLA，支柱為100µm寬。
小結(jié)
飛秒激光器技術(shù)讓下一代植入型醫(yī)療器械進(jìn)入商用變得可行。隨著這些工藝的日趨成熟，特征尺寸縮小，公差也變小，幾何形狀和表面紋理更為新奇，加上出現(xiàn)新的生物可吸收材料，飛秒激光器的應(yīng)用日益重要。牢固可靠的工業(yè)等級(jí)飛秒激光器對(duì)于制造出質(zhì)量更好、后處理步驟最少、產(chǎn)量更高的復(fù)雜醫(yī)療器械至關(guān)重要。
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