超快激光應(yīng)用于心血管支架切割
如今,隨著人們生活、物質(zhì)水平的上升,平均年齡的提高,心腦血管及各種臟器的疾病隨之而來,因肥胖或老齡化造成的疾病發(fā)生率飆升。在這些好發(fā)疾病中,冠狀動脈疾病及腦中風(fēng)尤為致命,前者在全球死亡原因中居首,后者為死亡原因的第二位。
此類疾病的治療以支架植入為主,如血管成形術(shù)或腔內(nèi)隔絕術(shù),往往需要在手術(shù)過程中將一個甚至更多的支架植入血管。僅以心臟支架的市場而言,在美國,2013年冠狀動脈的介入性手術(shù)就有120萬例,中國則為60萬例。考慮到中國心腦血管疾病患者人數(shù)的持續(xù)上升,以及數(shù)倍于美國的人口基數(shù),未來各式支架的需求不可小覷。
認識支架
支架為一網(wǎng)狀的管型材料,用來植入管道,支撐起病變的管道以恢復(fù)管道的運輸功能,或是在隔絕術(shù)中用來輔助線圈隔絕血管瘤。
圖一:長脈沖激光及超快激光加工比較示意圖
材料上一般支架可分為三代。第一代傳統(tǒng)支架,即裸金屬支架,將金屬支架安置在患處后,以氣球?qū)⒅Ъ軘U張以支撐血管,或是使用壓縮后的支架,使其自行擴張。第二代的支架為了降低血管植入支架后再狹窄,在支架上涂了一層藥物抑制血管壁增生,即藥物涂布支架,為目前市場上常見的產(chǎn)品。由于前述的支架是永久性或半永久性的,植入后即留在該處,日后若要再度植入支架,需另尋他處。因此,第三代的可降解支架應(yīng)運而生,可降解的材料在人體內(nèi)會溶解被吸收,支架植入后會逐步分解,約半年到一年內(nèi)支架會失去主結(jié)構(gòu),屆時血管也已修復(fù),不再需要支架。兩年后支架被吸收殆盡,不留痕跡。目前在歐美市場已有以高分子為材料、如聚乳酸的可降解支架,其他則有已經(jīng)展開測試的鎂合金等可降解金屬支架。
支架的制造方式包含“由大做小”的激光切割、等離子切割、電火花加工、光蝕刻,或是“由小做大”的編織、鑄造、電鑄、3D打印等。其中,由于激光切割的支架質(zhì)量好,自動化程度高,且成本較低,激光切割已成為支架制作的主流方式。
激光切割支架
支架是個復(fù)雜精細的醫(yī)療產(chǎn)品,需要同時符合多種要求。理想的支架具有良好的機械性能,可以壓縮、擴張且足以撐起肥厚的血管。支架也需要適當(dāng)?shù)钠交纫酝扛菜幬铮⒆屟芗毎街A己玫目垢g性及生物相容性也是支架必備的性質(zhì)。另外支架需要良好的顯影性,以便醫(yī)療人員定位、追蹤支架。若是切割的支架,表面不能留有毛刺或融渣及尖角,避免傷害血管。上述的性質(zhì)中,支架的制造方式影響機械性及表面型貌極為重要,因此合格的支架需要高工藝水平的制造技術(shù)。
現(xiàn)今主流的支架切割采用微秒級的光纖激光,但由于激光加工本身是熱加工,用激光將金屬熔融再以高壓氣體吹走,不但加工后會留下許多融渣、毛刺,加工時的熱容易氧化支架表層使其脆化,殘余熱應(yīng)力亦會造成微裂痕而降低機械性質(zhì)。因此光纖激光加工完的支架需要一系列的后處理,包含清洗、研磨、酸洗、鈍化、到最后的電化學(xué)拋光,工序繁瑣且耗時。這些后續(xù)處理也會損耗部分的支架,最終的良率只有七成左右,約三成的耗損意味著巨大的損失。
相較之下,使用超快激光切割支架則使后續(xù)處理簡單許多。超快激光,或稱超短脈沖激光,其脈寬只有10 皮秒(10-12 秒)到數(shù)百飛秒(10-15 秒),可以實現(xiàn)近乎無熱效應(yīng)的“冷”加工。與微秒級激光的熔融機理不同,超快激光超短的脈寬帶來的極高的峰值功率會產(chǎn)生多光子吸收,將材料略過熔融過程直接蒸發(fā)。因此超快激光能以相對低的能量加工材料,無殘余熱、無殘渣留在材料上,達成高精度且干凈的加工。以超快激光切割支架,可以省略許多后續(xù)工序,一般來說,清潔完的支架可以直接進行電化學(xué)拋光。由于制程的簡化,良率可以提高到九成以上。
圖二:光纖激光和超快激光切割的鎳鈦合金支架比較圖。圖左由光 纖激光切割,圖右由超快激光切割。
從圖中可以看見光纖激光切割的支架內(nèi)壁上熔渣的尺寸甚至大過管壁的厚度,且由于熔渣阻礙,無法將落料移除,需要先研磨才可將之去除。研磨內(nèi)壁不僅費工費時,而且容易磨出豁邊,造成機械性能的下降。如圖右所示,由超快激光所切割的支架,不但沒有熔渣而且表面光滑。
無法切小尺寸的支架是光纖激光的另一個劣勢。由于光纖激光的熱效應(yīng)強,當(dāng)管子的直徑太小或壁厚太薄的時候,激光加工的熱容易聚集在一起。一旦切割圖形復(fù)雜(如支架),強烈的熱效應(yīng)會嚴重影響支架的性質(zhì),即使后處理也無法滿足前述支架所需的品質(zhì)。一般而言,光纖激光切割支架的限制約在2mm,壁厚200μm。由于沒有熱效應(yīng),超快激光的切割限制非常小,可以達到直徑400μm 以下、壁厚數(shù)十微米的尺寸。
圖三:內(nèi)壁擊傷比較示意圖
光纖激光的另一個局限是容易擊傷內(nèi)壁。由于光纖激光需要高功率才足以切穿管壁,使光能持續(xù)前進,到達管子對面的內(nèi)壁。即便激光已經(jīng)發(fā)散,光纖激光的高光通量仍然高過材料的損傷閾值,足以擊傷內(nèi)壁。被擊傷的內(nèi)壁不但會降低機械性能,也會弱化支架抗腐蝕的性能。超快激光需要的功率小,當(dāng)激光切穿管壁后再經(jīng)發(fā)散達到對面的內(nèi)壁時,其光通量已不足擊傷內(nèi)壁,因此不會降低支架性能。
圖四:超快激光切割細304 不銹鋼管。圖左為管子方形槽全貌,圖右為管子對面內(nèi)壁。
圖四為超快激光在304 不銹鋼管上切割方形槽。圖左顯示,加工區(qū)域的周邊沒有熱效應(yīng),切割邊緣沒有熔渣和毛刺。圖右的顯微鏡照片聚焦在管子對面的內(nèi)壁,內(nèi)壁表面干凈連續(xù),沒有擊傷。
超快激光切割金屬支架
利用金相顯微鏡從支架截面觀察金相,可以看出熱效應(yīng)是否存在,熱效應(yīng)會改變金屬晶粒的大小,因此若熱效應(yīng)存在,則位于切割邊緣附近的晶粒大小會與本體的晶粒不同。圖五為一超快激光切割的316L 不銹鋼支架。如圖左的紅線所示,金相觀察的截面為支架的彎角,該處圖形最復(fù)雜,為熱最不易散去的地方。圖中為支架截面的金相,圖右則是作為對照觀察的未加工過的316L 不銹鋼管。晶相從支架與對照的比較看不出差異,且支架的晶相連續(xù),切割邊緣無不同的晶相存在,表示以超快激光切割的該支架不存在熱效應(yīng)。圖四為支架的局部照片。
圖五:超快激光切割的316L 不銹鋼支架的金相觀察。圖左為金相 截面位置示意圖,圖中為不銹鋼支架金相,圖右為未加工的316L不銹鋼管金相
由于該316L不銹鋼管是焊接而成,焊接的熱效應(yīng)會留在焊縫附近的組織里。圖七可看見未受熱影響以及受到熱影響的晶相差異。而在超快激光切割的支架上,并未發(fā)現(xiàn)這種差異。
圖六:超快激光切割316L 不銹鋼支架
圖七:316L 不銹鋼管焊接區(qū)域的熱影響
超快激光切割可降解材料支架
由于超快激光無熱加工的特性,使得激光加工低熔點材料變?yōu)榭赡埽灾Ъ芏裕珂V合金或是聚乳酸等高分子支架。由于這類支架低熔點及可降解的特性,切割后無法使用一般金屬支架的后處理,因此只能使用超快激光切割。
圖八:超快激光切割鎳鈦合金支架。圖左為支架主結(jié)構(gòu),圖右是支架彎角內(nèi)壁局部特寫。
鎂易燃且熔點低,光纖激光切割鎂合金支架時熔融嚴重,大量的熱甚至?xí)a(chǎn)生燃火現(xiàn)象。采用超快激光切割鎂支架,不但沒有熔融,無熱加工也避免燃燒的危險。圖九為鎂合金支架。由圖可見,超快激光切的鎂合金支架沒有熔渣、毛刺,切割面非常平滑。
圖九:鎂合金支架。圖左為支架主結(jié)構(gòu),圖右是切割面局部特寫。
高分子材料的熔點比金屬的熔點低許多,如聚L- 乳酸(PLLA)僅有180℃,因此高分子支架對熱效應(yīng)更加敏感。一旦可降解高分子熔融后再結(jié)晶,其在人體內(nèi)的降解速度即會改變,不滿足可降解支架的需求。常見評估切割質(zhì)量的指標(biāo)是觀察切割面的形貌,理想的切割面為毛砂面。不像金屬講求平滑,若聚乳酸的切割面平滑光亮,表示高分子熔融后又再結(jié)晶,因此平滑的切割面是不合格的。
圖十:超快激光切割聚乳酸類支架。圖左為聚乳酸,圖右為聚L- 乳酸。
圖十是超快激光切割的聚乳酸類高分子可降解支架。從圖可見,切割面是完整連續(xù)的毛砂面,沒有毛刺,無明顯的熱效應(yīng)。
超快激光器推動支架的升級與發(fā)展
由上述的例子可見,超快激光切割支架,不論在能力或質(zhì)量上均明顯優(yōu)于光纖激光。超快激光切割金屬支架的質(zhì)量優(yōu)越,縮短實際的支架制造時間。而對于光纖激光無法切割的第三代可降解支架,超快激光則是最理想的解決方案。(來源,榮格)