數(shù)十年來，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醫(yī)療界。例如，每年全世界范圍內(nèi)有數(shù)以百萬計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)療機械中起著關(guān)鍵作用。激光器可以進行精確控制，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。在制造冠狀動脈支架時，激光切割從一開始應(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，之后需要進行數(shù)個昂貴而費時的后期處理措施來移除粗糙邊緣。通常要進行清潔、去毛刺、蝕刻和精拋光等步驟來讓支架表面達到植入型器械所需的水平和一致性。
飛秒激光器的改進
近年來，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)用于外周動脈血管的小型支架。另外一種趨勢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)來提升生物相容性，降低術(shù)后再狹窄的風(fēng)險。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)時間比傳統(tǒng)納秒激光器要短100,000倍。通過這些超短脈沖，激光能量進入材料，并帶著膨脹等離子在熱量進入材料之前離開。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，通常不再需要進行去毛刺、熔融、重鑄，也不會產(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，它們依然造價昂貴，操作復(fù)雜，需要經(jīng)常進行性能優(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，在植入后會永久存留在動脈中，存在引發(fā)嚴(yán)重醫(yī)療并發(fā)癥的風(fēng)險。避免這類并發(fā)癥的一個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）。這些材料熔點低，因此無法經(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留下受熱導(dǎo)致的損害。但是，通過細(xì)致的性能優(yōu)化激光輸出參數(shù)，還是可以實現(xiàn)非熱消融。這對于脈沖更長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)等級飛秒激光器對于制造出質(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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