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    飛秒激光實現醫用支架高精度切割
    材料來源:ACT激光世界           錄入時間:2023/4/19 23:28:00

    醫療可植入式支架的制造精度要求極為嚴苛,激光切割,特別是飛秒激光切割是最理想的加工工具。

    醫療可植入式支架是醫療領域最常用的治療器械之一,它們能通過微創手術的方式植入人體內,發揮重要治療功能,挽救生命。

    醫用支架分為血管支架和非血管支架,其中血管支架占大多數。隨著我國人口老齡化速度加快,心血管患者數量持續增長,未來對PCI手術(經皮冠狀動脈介入治療)的潛在需求隨之增加,這也將促使心臟支架需求的不斷增長。

    因為要植入體內,所以支架必須滿足多種要求。首先,它們必須由不會與組織和血液發生反應的生物相容材料制成。其次,由于支架植入體內時間較長,因此必須具有彈性和耐用性。最后,支架需要高精密加工,以便它們在滿足醫療功能的同時,不會積聚雜物。

    醫用支架的常用材料不銹鋼、鎳鈦合金(一種具有形狀記憶的鎳鈦合金)或鈷鉻合金。這些材料具有高耐磨性、高沖擊強度和延展性。這類支架是不可生物吸收的。另一種是生物可吸收支架,它們的材質為鎂合金或聚乳酸(PLA)等聚合物材料。

    從支架制造所要求的高精度而言,激光切割,特別是超短脈沖激光切割,是最能滿足要求的制造方法。

    飛秒切割PLA支架

    飛秒脈沖激光與物質的相互作用時間,比熱量擴散需要的時間短得多。因此,飛秒脈沖切割的一個主要優點是,切割過程中幾乎沒有熱量產生,這就避免了切割過程中在金屬中形成熱影響區(HAZ)或是熱敏聚合物的熔化。飛秒切割能夠實現一種冷切割,切割質量更精細,切割面更清潔。

    Fluence Technology公司的Jasper X0飛秒激光器,結合了短脈沖、高峰值能量和可定制的重復頻率,成功實現了最具挑戰性的熱敏可生物降解的PLA支架的切割。

    (1)激光劃片切割

    在切割PLA這樣的熱敏可生物降解材料時,Fluence Technology使用了“劃片和分離”(dice and break)技術。通過將<250fs的超短脈沖持續時間與創新的光束整形技術相結合,首先用飛秒脈沖在材料上打上一排非常細的孔(直徑1~2μm),然后再通過施加機械力分離,邊緣非常光滑,沒有熔化和切口粗糙現象。

    這種方法實現了<1μm的切口寬度(切口幾乎可以忽略),切口無錐度,也沒有HAZ,并且在幾乎沒有材料損耗失的情況下,實現了高達1m/s的切割速度。這種基于激光劃片和機械分離力的切割方法,能使材料保持原狀,從而確保了生物相容性。

    圖1:使用飛秒脈沖和精密光學器件從PLA片材上切割元件。實現了切口<1μm的超細切口分離。(圖片來源:Fluence Technology)

    (2)激光燒蝕切割

    Fluence Technology還通過常見的激光燒蝕切割方法,制造了PLA支架。

    在紫外光譜范圍內,非常強的局部吸收與多光子電離相結合,能提供極高的切割精度,大大減小熱影響區,同時提高自由形狀聚合物切割的產量。還有一個非常重要的優勢素是:激光切割后所需要的后續處理非常少。

    這些支架支柱經過精確加工,邊緣光滑,有利于身體安全,降低了血管組織損傷的風險。

    圖2:用飛秒激光器Jasper X0燒蝕切割的PLA支架。(圖片來源:Fluence Technology)

    這項技術也適用于目前占據整個市場絕大多數的金屬支架。超快激光用于金屬支架制造,其中毛刺和熱影響區的減少,為支架支柱提供了光滑的表面,將不再需要去毛刺(使用較長脈沖切割鎳鈦諾支架,通常會出現毛刺)。對周圍材料的最小影響對金屬材質也非常有利,能夠使材料的物理屬性基本保持不變。

    光纖激光切割鎳鈦合金支架

    鎳鈦合金或“記憶金屬”具有超彈性和形狀記憶等特殊性質,也是支架的一種常用材料。

    臺灣高雄的里特材料科技公司(NIT),是一家卓越的鎳鈦記憶合金線供應商,也是醫療器械等應用領域成品部件的合同制造商。NIT不但能提供直徑3~6mm的常見鎳鈦合金管狀材料,并且還開始提供直徑小至0.56mm的鎳鈦合金管。

    為了向客戶提供具有卓越精度和邊緣質量的零件,NIT引入了Coherent高意公司的StarCut Tube激光切割系統。這套切割系統可以配置為提供兩種不同的激光源:一種是脈沖寬度可在10~50μs間調節的光纖激光器,另一種是脈沖寬度小于 350fs的Monaco激光器。兩種激光器均輸出近紅外激光,適用于加工大多數金屬材料(如不銹鋼、鎂、鉑、鎳)和多種非金屬材料。用戶可以根據需求選擇需要使用的激光源。NIT使用光纖激光切割實現了很好邊緣切割質量和切割吞吐量。

    圖3:激光切割的鎳鈦合金支架。(圖片來源:NIT Co. Ltd)

    飛秒激光切割鎳鈦諾支架

    NKT Photonics公司也利用其Origami XP飛秒激光器,成功實現了鎳鈦諾支架的冷燒蝕切割,并實現了非常高的切割質量。

    Origami XP是一款一體式飛秒激光器,它將激光頭、控制器和空氣冷卻系統都集成在一個小巧堅固的封裝中,體積緊湊。它基于緊湊的單片啁啾脈沖放大平臺,能夠在1030 nm、5 W平均功率和低于400fs的脈沖持續時間下,提供高達70μJ的脈沖能量。

    圖4:NKT Photonics的Origami XP飛秒激光器實現鎳鈦諾支架的高質量切割。(圖片來源:NKT Photonics)

    小結

    血管支架和非血管支架能夠通過微創手術治療嚴重的疾病,并且由耐用的生物相容材料制成,需要精確的激光加工才能制造。超快脈沖激光器利用精確的脈沖串來平滑地切割支架,并達到極高的精度。飛秒激光既可用于制造金屬支架,也可用于制造非金屬的聚合物支架。飛秒激光實現了高吞吐量切割和最大的加工靈活性,使其成為支架制造商的首選工具。

    作者:Rossie


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