通过飞秒精密加工更好的医疗设备

Steven Hypsh•Jenoptik和Geoff Shannon•Miyachi America

微秒光纤激光器已成功用于医疗设备应用，如Hypo管和支架切割多年。虽然精确且快速，下端是零件在切割后需要多个后处理操作，这增加了部分成本并且也可以损坏机械精致的部件。

然而，超短的Femtosecond（FSEC）激光技术产生脉冲，侧部留下没有热指纹。这些基于磁盘的飞秒激光器提供Sub-400 FSEC脉冲，加上一流的波束质量和峰值功率适合于冷热切割过程而不是熔喷工艺。所得到的切割需要最小的后处理，并且较小的光束尺寸允许加工分钟细节。

该过程尤其适用于生产这种医疗器械作为导管，心脏瓣膜和支架，用于医疗和玻璃切割和标记应用，以及用于牙科植入物的陶瓷材料的3D结构。但也许可能最有趣的潜在用途是全新的新型生物可吸收材料 - 聚合物，其安全地保留在体内，以进行吸收前的受控时间长度，这是作为传统聚合物或金属组分的替代方案开发的。

过去，用于商业上可行的操作，飞秒激光被认为太慢。但最近的研究评估了每个部分的切割时间和后处理步骤，并证明了盘Femtosecond激光的投资回报可以小于12个月，特别是对于高价值分量。实现激光潜力的一个关键方面是系统平台，到目前为止，Jenoptik和Miyachi America共同开发阶段和扫描头平台，可以充分解锁达到这种新的质量和微治疗精度的承诺。

该图像示出了与Meftosecond激光器类似的超短脉冲激光器相比使用长脉冲激光器（例如，μSEC）的效果。

Femtosecond基础知识
Femtosecond浅脉冲是超短脉冲（USPS）。一个FSEC等于10至15秒。作为校准点，300-FSEC脉冲相当于90μm的物理脉冲长度。由于没有热处理，因为存在纳秒脉冲，USPS具有几个优点，包括：

没有热冲击 - 没有材料在材料中和材料特性的变化
没有冲击波 - 没有结构性变化
没有微裂缝 - 光滑的加工表面
没有熔化的效果 - 没有结构性变化
没有表面损坏 - 没有返工或后处理
没有碎片 - 不需要清洁
没有喷射材料清洁表面
没有重复层光滑的边缘

比较纳秒355nm源和a
1,030-NM Femtosecond Disk激光源处理
聚丙烯。磁盘FS孔的外观显示
小锥形，没有熔化或热效应扭曲
洞。

在过去的七年里，可以持续在一个有全天候资格的工业环境中的商业准备的飞秒技术。

Femtosecond Disk Laser可以创建由于质量问题而无法实现的独特功能，特别是在聚合物加工。

具有用于金属和塑料的飞秒激光器的边缘质量使其能够加工心脏，脑和眼支架（Nitinol和Cobalt-Chrome），导管，心脏瓣膜和聚合物管道。近乎冷的切削过程意味着可以切割微小特征尺寸，同时仍保持机械和材料的完整性。即使是最小的硝基戊醇直径管也不需要内部水冷。

Jenoptik开发了一个ROI工具来说明后处理的真正成本。计算表明，FemtoSecond激光实际上更快，因为它们缓解了几次耗时的后处理步骤。

采用冠状动脉支架的例子，其中一个用光纤激光器制造的第一装置之一。首先，必须采用机械加工，然后用机械工具磨练或清除内部，最后进行了糖果。然后必须进行化学蚀刻工艺以在边缘周围清洁，然后进行电抛光步骤。这些步骤耗时不仅是耗时的，它们还可以使部件变得脆，变形并且可以具有微裂缝。产量往往是70％的范围，这意味着大量的最终产品损失。

相比之下，Femtosecond激光器是一种干格式 - 没有水或热量被引入。步骤数量减少;该部件被加工，然后经过电化学过程以绕边缘。部分的完整性得到改善，消除了几个耗时的步骤，收益率可以更接近95％。

Femtosecond激光器也是唯一适合加工医疗产品的电流技术，可以在新的生物可吸收聚合物中加工，这可以安全地植入体内以进行控制的时间长度，而不会造成伤害或不利的相互作用。下一代先进的生物吸收剂（也称为抽象）为传统聚合物或金属部件提供替代方案，并且设计成满足精确的降解速率和其他规格。

生物可吸收支架的飞秒激光切割的一个例子。

可以将生物可吸收的材料加工成可用于支架的任何轮廓。但是，必须正确地加工，而不会诱导热量。未能这样做可能导致材料中的结晶，这会降低其结构并影响其寿命和以正确的速率分配药物的能力。此外，由于生物吸收剂溶解，它们不能像大多数塑料一样清洁，也不能用任何液体解决方案触及，因此Femtosecond激光器是更好的材料选择。

Bioabsorbables are already being used for coronary stents in the EU, although they have not yet received FDA approval for use in the U.S. Mostly composed of polyesters, primarily homopolymers and copolymers of polylactic acid and polyglycolic acid, bioabsorbables show promise for a variety of uses, including cardio stents for patients who may have been stented numerous times and can no longer tolerate a traditional fixed stent. The material is also used to deliver medicines into organs of the body—for example, a plastic material like a sponge is doped with medicine and inserted into the liver, dispensing medicine at a consistent rate and lasting from 6 months to 3 years before dissolving.

为了获得将飞秒激光能力移动到市场中的系统集成功能，Jenoptik与Miyachi America合作。第一个开发平台围绕Miyachi的Sigma管切割机。

将飞秒激光器集成到微机械工具中
飞秒激光器目前不能通过固定镜引导和传递到聚焦光学器件。因此，设计用于4轴管切割器的光束输送系统，其可以使轴切断的同时保持对准可能是一个挑战。光路设计必须确保根据流程开发的需要，可以轻松访问诸如光束扩展器和微调衰减器的键光学工具。系统设计需要全机械隔离，在某些情况下，环境温度稳定性，为过程重复性提供系统基础。

为了获得将飞秒激光能力移动到市场中的系统集成功能，Jenoptik与Miyachi America合作。第一个开发平台基于Miyachi的Sigma管切割机，如图5所示。

Jenoptik.
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