飞秒激光在医疗器械制造中的应用

　　当前，激光在医疗行业中主要用于诊断和手术，如眼部手术、纹身去除和治疗静脉曲张。在这些应用中，激光器本身往往是最重要的。然而在激光技术的医疗应用中，还不止这些。近年来，激光越来越多地用于医疗设备制造，例如设备部件（通常在微观尺度上）或用跟踪数据标记它们，以确保它们符合最新法规。

　　特别是超快激光器——持续时间在皮秒（10-12 秒）和飞秒（10-15 秒）量级的脉冲——正成为此类微加工和打标任务的首选激光器。这篇文章中将重点关注飞秒激光的当前应用。

　　支架制造

　　神经和心血管支架是目前使用飞秒激光制造医疗设备的一个典型案例。NKT Photonics 的超快战略营销总监HusainImam 博士分享了这一点。他解释说，飞秒激光器能够在支架上精确加工无毛刺的微米级结构，这对于防止支架插入体内时的不良影响极其重要。他补充道，一些支架是由镍钛合金制成，而这种合金不易用机械加工，因此飞秒激光器在这里被证明是如此有效。

　　支架和其他医疗器械也可以由生物可降解聚合物制成，但同样也需要精密加工。根据Imam 的说法，尽管这种材料通常使用纳秒紫外激光器和准分子激光器加工，但制造商们现在正转向短脉冲飞秒激光工艺。

　　与纳秒（10-9 秒）甚至皮秒脉冲相比，使用飞秒脉冲的主要优点之一是光束与工件接触的时间更短，这将最小化工件上的热影响区，从而减少过度加热造成的任何有害影响。对于某些医疗器械包括支架，对于保持植入材料的生物相容性至关重要。

　　波兰超快激光器制造商Fluence Technology 的销售和营销总监Dariusz wierad 博士解释说，支架制造是公司推出的Jasper X0系列1030nm高功率飞秒激光器的主要目标市场之一。这些激光器可提供高达100μJ 的脉冲能量和高达60W 的平均功率，具体取决于型号，并且通过谐波产生模块可在三个波长下工作：515nm（绿色）、343nm（UV）和258nm（紫外）。

　　“制造血管支架时，如果使用连续波激光或脉冲纳秒/ 皮秒激光而不是飞秒激光，那么当生物聚合物材料加热并改变化学成分时，它可能会产生毒性。所以，如果想限制这些热效应，其中一种方法就是使用飞秒激光加工。这种技术提供了无热微加工能力，可以将最小的热量传递到材料上。”

　　“其次，飞秒激光器很有吸引力，因为可以创造出非常精确的材料表面特征，”他继续说道。“你可以想象支架很小，直径约为2.5-4mm，长度约为8-48mm。有些厂商使用纳秒或皮秒激光器。虽然这些激光器比飞秒激光器便宜，但如果想要高质量的细节和边缘，并且不想让生物聚合物有毒或金属氧化，那么就需要用到飞秒激光器。”

　　“就整个支架的制造过程而言，飞秒激光器的另一个优势是切割支架后的后处理”，立陶宛飞秒激光器制造商LightConversion 大客户经理Aivaras Urniežius 表示。他解释说，使用超过飞秒范围的脉冲持续时间可以在处理镍钛诺、不锈钢和镁材料制成的支架时会导致结构损坏。这些结构碎片必须以某种方式清除，要么通过清洗要么使用酸。而如果使用飞秒激光，你切开支架将其放入超声波浴中，几乎可以立即将其植入人体。”因此，飞秒激光器省去了大量的加工步骤，从而节省了生产时间，Urniežius 继续说道：“虽然飞秒激光器的成本比纳秒激光器高出5 倍，但在生产中节省的步骤值得企业投资。”

　　流体输送装置

　　飞秒激光器也是制造需要精确输送流体的医疗设备的理想加工设备，例如环形腔、导管和针头。如前所述，当这些器件由金属制成时，飞秒脉冲防止了表面的再熔化和随后的结构变化。将飞秒激光应用于聚合物加工，也可以避免潜在毒性和结构损伤问题。

　　Urniežius 说：“塑料材料带来了诸多挑战。”因此，一些为药物输送的特殊导管需要创建槽或孔。如果通过这些导管实现气体或药物输送，它们必须具有高度可控和可重复的尺寸。所以当钻一个小孔时，需要高度可控。”

　　例如，直径从12μm 到20μm 以上的玻璃活检探针需要钻取端口——在探针尖端附近的侧壁上钻有锋利边缘的孔——尺寸从5μm到10μm以上。Light Conversion有两种飞秒激光器，Pharos 和Carbide，适合这种应用。Pharos 提供100fs-20ps可调脉冲宽度、4mJ 最大脉冲能量和20W 最大平均功率，而Carbide 提供190fs-20ps 的可调脉冲长度、2mJ 最大脉冲功率和80W 最大平均能量。

　　由于这两种激光器能够通过谐波产生模块提供1030nm、515nm、343nm 和257nm 的波长，因此它们可以用于各种不同的材料和器件加工。

　　与客户合作

　　根据Urniežius 的说法，对于Light Conversion，为医疗组件制造提供激光器占其收入的很大一部分。他解释说：“当你有一家公司在制造一些特殊的东西时，他们并不总是把激光当作解决方案。因此，你会与他们的工程师会面，与负责研发的人交谈，向他们展示图片并倾听遇到的问题。然后你会提供激光解决方案。”

　　Fluence 已经建立了一个专门的应用实验室，以便与客户更紧密地合作，展示激光器的能力并开发定制流程。这使得该公司能够演示样品组件的制造，或与工业或学术合作伙伴合作开展特定激光参数的研究。他们向我们表示，希望为医疗器械焊接塑料或为微流体钻一些孔，然后我们可以开发一种工艺来实现这一点。”

　　加工每一种材料所需的激光参数都是不同的。需要找到合适的脉冲能量、波长、重复频率和脉冲的重叠——所谓的间距。然后也可以对脉冲进行时间整形，并使用单脉冲或脉冲串模式。后一种模式产生飞秒脉冲串，其中每个脉冲可以具有最佳影响，以最大化消融效率。对于任何给定的材料，需要大量的知识和经验才能找到最佳的参数集。

　　NKT Photonics 还与客户密切合作开发应用程序。Imam说：“我们可以开发定制设备以满足客户对设计和材料有特殊要求。然而，在同一医疗器械中加工不同材料时，现在需要更高的加工精度和更好的选择性。”

　　为了满足这些挑战性的需求，NKT Photonics 还通过谐波产生模块（除了标准红外波长之外）在Origami 和AeroPulse飞秒激光系列之间提供绿光（515nm）和紫外（343nm）波长。Imam 解释道：“在较短波长下进行处理可以提高处理分辨率，并进一步减少任何不必要的热效应。”

　　预期增长领域：可追溯性标记

　　目前，根据Urniežius 的说法，生产支架是激光技术最大的医疗器械制造应用。然而，他补充道，飞秒激光用于微焊接其他类型的医疗设备，或用于打开和清洁可植入设备上的金属线接触，也在增长。不过总体而言，对于Urniežius 来说，用独特的识别码标记医疗部件可能会成为未来飞秒激光器的最大增长领域。

　　“所有进入人体的东西都需要可追溯性，”conffrmsUrniežius 说，“例如，如果你有一个起搏器，其中有一些部件如微小的微机械可能需要以特殊的方式进行标记。因此，对于许多此类应用，只有像飞秒激光器才能产生精确的标记，而不会影响设备或部件的功能。”

　　Urniežius 继续说道，在不锈钢手术器械方面，飞秒激光器正在慢慢被接受为唯一的标记解决方案。这是因为其他类型的激光器会改变金属的成分和表面形状，导致在灭菌过程中标记部位可能发生腐蚀。Fluence 的wierad 补充道，飞秒激光器的能力，特别是对部件的识别能力以及用独特的识别码进行标记的能力，将在医疗设备制造中得到更广泛的应用。

　　预期增长领域：芯片实验室

　　除了在医疗机构中使用的设备外，当然还有一整套医疗监控设备在家庭中使用。这是一个不断增长的市场——我们中的许多人都在努力改善健康状况，随着人口的老龄化，人们越来越多地转向技术来帮助管理健康状况和健身。Imam 认为，这一普遍趋势将在未来五年内导致激光加工的增长。

　　他说：“未来市场会出现更个性化的健康测试和监测的需求。我们今天已经可以看到，有传感器用于持续血糖监测、血氧含量、血压等。这些生物传感器将变得越来越重要，因为医疗服务提供商将依靠持续的实时数据来改善患者的健康状况。”

　　此外，芯片实验室传感器的发展也很快，这种传感器可以在医疗保健提供者，甚至在家里进行本地测试和诊断，而不是将血液样本送到实验室。Imam 继续说道：“这些传感器需要在一个微型芯片平台上实现多种模态功能：微流体、化学混合和光导。由于这些不同的功能需要在一个芯片上使用不同的结构和不同的材料，预计这些芯片的激光加工将变得越来越重要。”

　　Imam 补充道：“我们已经看到，医疗公司更喜欢用激光技术制作这些复杂传感器的原型。这是因为使用传统机械技术制作原型需要一定数量的样品，如果一个传感器由于芯片上的功能不同而需要多种不同的技术，那么就需要大量样品。基于激光的工艺能够通过改变激光参数或激光源来处理多种材料，从而使原型周转更快、成本更低。”