數十年來，支架、人工晶狀體和假肢等植入型醫療器械已改變了整個醫療界。例如，每年全世界範圍內有數以百萬計的支架被用於治療各種由血管變窄和阻塞引發的血管和血管內疾病。同樣，每年有數百萬人工晶狀體被用於修複白內障患者的視力。
激光器在加工植入型醫療機械中起著關鍵作用。激光器可以進行精確控製，從而高效地將多種精選材料精準地微加工成植入型醫療器械所需的複雜幾何體。在製造冠狀動脈支架時，激光切割從一開始應用就取得了成功。早先的支架由不鏽鋼製成，體積相對較大，零件的幾何特征公差在±25µm上下。使用納秒脈衝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。
但是納秒激光器脈衝與材料的熱作用通常會導致金屬零件表麵光潔度不理想，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生狹窄的熱影響區域。在熱影響區域內，材料屬性或成分會發生變化。這意味著激光切割技術隻能局限於大量生產支架，之後需要進行數個昂貴而費時的後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麵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，植入型醫療器械日益複雜，所使用材料的加工難度也在加大。例如，應用於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麵構造或幾何結構來提升生物相容性，降低術後再狹窄的風險。新型生物可吸收材料則給加工這些醫療器械提出了另外一種挑戰。
飛秒激光器是一種使能技術，可以微處理新一代植入型醫療器械極端精細的結構和新型材料。飛秒激光器脈衝持續時間比傳統納秒激光器要短100,000倍。通過這些超短脈衝，激光能量進入材料，並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。其突出特性在於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，也不會產生熱影響區域。
飛秒激光器已有數十年的曆史。但直到最近，它們依然造價昂貴，操作複雜，需要經常進行性能優化以滿足生產車間的需求。但是， Spectra-Physics公司的Spirit飛秒激光器是一種可靠度高，堅固耐用性產品，在全世界範圍內被廣泛應用於醫療領域。
為了展示Spirit飛秒激光器的性能，我們微加工了超精細鎳鈦諾金屬支架，如圖1所示。管子直徑隻有4.25mm，壁厚45µm，支柱寬度為35µm。我們發現這一精巧的格架結構加工公差小，未產生熱影響區域，未發生熱變形，邊緣輪廓極其鮮明。
生物可吸收支架
大多數商用支架都由金屬製成，在植入後會永久存留在動脈中，存在引發嚴重醫療並發症的風險。避免這類並發症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後能溶解入人體。但是，加工這種生物可吸收材料是一項極具挑戰性的任務。
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，因此無法經受傳統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製造方案，從根本上使得生物可吸收支架技術變得可行。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致的損害。但是，通過細致的性能優化激光輸出參數，還是可以實現非熱消融。這對於脈衝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，就隻能實現熱加工，從而導致PLLA材料大量融化和起泡。圖2展示了使用Spirit工業激光器進行加工的成果。材料是80µm厚的PLLA，支柱為100µm寬。
小結
飛秒激光器技術讓下一代植入型醫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，幾何形狀和表麵紋理更為新奇，加上出現新的生物可吸收材料，飛秒激光器的應用日益重要。牢固可靠的工業等級飛秒激光器對於製造出質量更好、後處理步驟最少、產量更高的複雜醫療器械至關重要。
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