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飞秒激光加工优势:精密且安全的心脏血管支架

作者:Huaray 更新时间:2022-06-10 点击数:

心脏血管支架最早出现在20世纪80年代,又被称作冠状动脉支架,是用于经皮冠状动脉介入手术(PCI)的器材,是治疗冠心病的三大主要手段之一。心脏血管支架的直径只有2-4毫米,重量不足万分之一克,是应对急性心肌梗死较为直接、有效的工具。它能顺着血管到达冠状动脉堵塞的位置,快速撑开闭塞的血管,从而恢复并长期维持血液的正常流通。

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由于心脏血管支架直接植入人体内,在使用特性和安全性上必须进行深入的考究,需要满足极为苛刻的条件。例如灵活性、抗血栓、生物相容性、支撑力等方面的要求。心脏血管支架的壁管极薄,需要使用精密激光切割工艺进行制作。采用普通激光加工会导致心脏血管支架毛刺多、切槽宽度不统一等问题,这样制作出来的心脏血管支架不能符合使用条件。

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近年来,人们生活水平提高,心血管疾病增长迅速,心脏血管支架用量呈上升趋势。为保证该器件精密度及安全性,且有一定的加工产量,国外很多厂商开始使用飞秒激光进行支架的切割加工。飞秒激光是指时域脉冲宽度在飞秒(毫微微秒,10^-15秒)量级的激光。利用飞秒激光短脉冲产生的强电场,消除材料切点附近的自由电子,使带正电荷的材料同性相斥,失去分子间的作用力,通过“分子摘除”的方式完成材料去除。这种方式加工的心脏血管支架断面无毛刺、表面光洁平滑、无热损不会产生烧蚀、切割精度高并且筋宽均匀。

为减少血细胞粘附表面从而产生凝血,采用Femto飞秒激光器(脉宽<300fs,频率200KHz,双波段1035nm,517nm)在不锈钢表面诱导出两种周期性表面微结构,并研究两种微结构对成纤维细胞和单核细胞的影响。该微结构表面不利于血细胞粘附,从而较少产生凝血的机会,提高了血管支架的血液相容性,且周期和深度的增加会降低细胞的粘附性。

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金属支架在植入后会永久留存在动脉中,存在引发医疗并发症的风险。为了降低该风险,主流采用可吸收支架的概念。支架可以选择聚左旋乳酸(PLLA)、聚乳酸(PLA)等材料制作而成,但这种材料熔点低,热效应敏感,大大增加了加工工艺的难度。

心脏血管支架按材质可分为第二代金属支架和第三代生物可降解支架,由于支架体型小、结构薄,外形和力学性能要求高等因素,激光加工是其最佳的加工方式。

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普通光纤激光即可完成多数金属支架的加工,而生物可吸收支架采用的是可降解高分子材料,由于其熔融加工时容易热降解,光吸收率低、加工易炭化等问题,普通光纤激光的“热”加工难承此任。而具有超高峰值功率和超短脉冲的飞秒激光具备显著优势,通过调试工艺参量能够达到对可降解材料的切边光滑无炭化的“冷”加工效果,完美解决以上问题。

利用超快激光对可吸收支架进行加工制造,使激光束能量对支架材料的热效应降到最小。但目前超快激光微纳制造的可吸收血管支架造价昂贵、产量较低,如何使用该技术实现血管支架工业化是研究人员亟需解决的难题。