近年来，激光越来越多地用于医疗设备制造，例如用于微观机器部件，或者用跟踪数据标记它们，以确保它们符合最新的法规。据国外研究机构Fortune Business数据显示，2021年全球医疗激光设备（Medical Lasers）市场规模约为41．5亿美元（约265亿人民币），预计未来8年的年复合成长率为16．8％。此外，随着激光医疗设备的核心器件研发加快，中国激光医疗器械行业的增长率预计将迎来提速式增长。

在一系列激光设备中，皮秒和飞秒超快激光器又将成为一系列医疗设备制造应用场景中的首选激光器，这些激光器正不断渗透医疗的各个领域。

（图片来源：Fluence Technology）

助力精密加工医疗支架制造

在使用飞秒激光制造的医疗设备中，神经和心血管支架是目前最常见的。全球知名光纤激光器制造商NKT Photonics公司Ultrafast战略营销总监Husain Imam博士就指出，飞秒激光能够在医疗支架上精确加工无毛刺的微米级结构，这对于防止将其插入人体时产生免疫反应／排斥反应而言非常关键。他补充称，不少医疗支架是由镍钛合金制成的，以往利用机械技术加工这种镍钛合金并不容易，飞秒激光则成为了一种有效的手段。

由可生物降解的聚合物制成的支架和其他医疗设备，也同样需要精密加工。尽管这些材料以往通常是使用纳秒紫外激光器和准分子激光器进行加工的，但制造商目前正在转而采用更短的脉冲飞秒工艺。

与纳秒（10^－9s）甚至皮秒脉冲相比，使用飞秒脉冲的主要优点之一就是光束与工件接触的时间被尽可能地缩短了。这也最大限度地缩小了工件上的热影响区，从而减少了过度加热引起的不利影响。对于某些医疗设备（包括支架）而言，这对于提高植入材料的生物相容性是非常关键的。

波兰超快激光制造商Fluence Technology的销售和营销总监Darius Swierad博士表示，医疗支架的制造恰恰是该公司Jasper X0 1030纳米高功率飞秒激光器匹配的主要目标市场之一。这些激光器能够提供高达100 μJ的脉冲能量，平均功率高达60W，并且根据型号的不同能够通过谐波产生模块在三个额外的波长下工作：515nm（绿色）、343nm （UV）和258nm （UV）。

Fluence Technology的飞秒激光器可用于切割常用的医用材料，如生物可吸收聚合物（聚丙酯），其切缝微小可忽略不计（＜1 um），没有锥度，这些都确保了其生物相容性。（图片来源：Fluence Technology）

Swierad表示：“在制造血管支架的情况下，如果你使用的是连续波激光或脉冲纳秒／皮秒激光，而不是飞秒激光，那么生物聚合物材料在加热和改变化学成分时可能会产生生物毒性。所以如果你想限制这些热效应，其中一种方法是使用飞秒激光。这实现了非热微加工能力，将转移到材料上的热量会降至最少。”

“其次，飞秒激光可以创造非常精确的特征。一般的医疗支架很小，直径约2．5－4毫米，长度约8－48毫米。有些支架制造商会使用纳秒或皮秒激光。虽然皮秒激光比飞秒激光价格上更便宜，但如果你想要高质量的细节和边缘，而且你不想冒着生物聚合物有毒或金属氧化的风险，那么你就需要飞秒激光。”

从整个支架制造过程来看，飞秒激光的另一个优势是将切割支架后的后处理需求将至最低。立陶宛飞秒激光制造商Light Conversion的大客户经理Aivaras Urnieius解释称，在处理由镍钛合金、不锈钢和镁材料制成的支架时，使用超过飞秒范围的脉冲持续时间会造成结构损伤，这些结构碎片必须以某种方式进行清除，要么清洗，要么使用酸进行处理。而如果你使用飞秒激光，只需切开支架，把它放在超声波中清洗，然后就几乎可以直接把它放进人体内。

飞秒激光省去了大量的加工步骤，从而节省了生产时间。Aivaras Urnieius表示：“虽然飞秒激光的成本大约比纳秒激光高出5倍，但考虑到在生产过程中省下的流程，这些高出来的成本是值得的。”

打造精细可控的流体输送装置

飞秒激光也是制造精确输送液体的医疗设备的理想选择，如环管、导管和针头。当这些器件是金属材质时，飞秒脉冲可以防止表面重新被熔化以及随之发生的结构变化。而当作用于聚合物医疗器件时，它又避免了潜在的毒性和结构损坏问题。

塑料材质的医疗管要求更为严苛，通常需要在上面创建插槽或孔来输送药物。如果你想通过这些管子制造特定的气体或药物流动，它们必须是高度可控、可重复的尺寸。钻一个小洞并施加特定的压力之后，从一个管子到另一个管子的流动将是高度可控的。

在微流控医疗设备上钻小孔，是飞秒激光表现出色的应用之一。（图片来源：Fluence Technology）

例如，直径从12μm到超过20μm的玻璃活检探针，需要钻孔端口（探针尖端附近的侧壁有锋利边缘的孔），大小从5μm到10μm以上。Light Conversion公司旗下的两款秒激光器——Pharos和Carbide就很适合这样的应用。Pharos能够实现100fs－20ps可调脉冲持续时间，4mJ最大脉冲能量和20W最大平均功率，而Carbide提供190fs－20ps可调脉冲持续时间，2mJ最大脉冲能量和80W最大平均功率。这两种激光器都可以用于一系列不同的材料和设备，因为它们能够通过谐波产生模块提供1030nm、515nm、343nm和257nm的波长。

与客户合作开发新应用实现共赢

对于Light Conversion来说，为医疗部件制造提供激光器占其收入的“很大一部分”，Aivaras Urnieius解释称，该领域的新想法不断来自与客户的互动。

他说：“当你有一家制造特定产品的公司时，他们并不总是把激光作为解决方案。你会见他们的工程师，与他们负责研发的人交谈，给他们看照片，听他们说说出现了什么样的问题——然后你再将激光作为一个潜在的解决方案。”

Fluence也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，展示其激光器的功能并开发定制工艺。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进行特定激光参数的研究。Fluence应用实验室的微加工站由定位台、激振扫描仪和各种固定和波束整形光学设备组成。

每种材料在加工所需的激光参数方面都是不同的，用户需要找到正确的脉冲能量、波长、重复频率和脉冲的重叠。然后，你还可以在时间上塑造脉冲，并使用单脉冲或突发模式。后一种模式产生飞秒脉冲爆发，其中每个脉冲可以有最佳的通量，以最大限度地提高烧蚀效率，并在提高质量的同时提高处理速度。对于任何给定的材料，都需要大量的知识和经验来找到最优的参数集。

NKT Photonics还与客户密切合作进行应用开发，Imam表示：“我们可以开发针对其设备设计和材料的定制处理技术。然而，现在在同一医疗设备中加工不同材料时，需要更高的精度加工和更好的选择性。”

为了解决这些具有挑战性的需求，NKT Photonics还通过谐波产生模块在Origami和AeroPulse飞秒激光器系列之间提供绿色（515nm）和紫外线（343nm）波长（除了标准红外波长）。在更短的波长下处理可以提高处理的分辨率，并进一步减少任何不必要的热效应。标记可追溯性或成一大新增长市场

据Aivaras Urnieius介绍，目前激光技术最大的医疗器械制造应用是制造支架。然而，他补充说，飞秒激光用于微焊接其他类型的医疗设备，或打开和清洁植入式设备上的金属线触点，这方面的应用也在不断增长。

总体而言，用唯一的识别代码标记医疗部件或将成为飞秒激光未来最大的增长领域。这些代码需要严格遵循来自几个国家的现有和即将出台的法规，因此在许多医疗设备的制造过程中，它将很快成为强制性的一个方面。

飞秒激光越来越多地用于标记医疗设备，如肾培养皿（左）和注射器（右），标有防腐追溯码和其他关键信息。（图片来源：NKT Photonics）

“进入人体的所有东西都需要可追溯性，”Aivaras Urnieius表示：“例如，如果你有一个起搏器，起搏器中的一些组件，如微小的微机械，可能需要以特定的方式标记。因此，对于许多此类应用来说，只有飞秒激光这样精确的东西才能产生这样的标记，而不会影响设备或部件的功能。”

在不锈钢手术器械的案例中，飞秒激光正逐渐成为主流的解决方案。这是因为其他类型的激光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发生腐蚀的可能性。

Fluence的Swierad补充说，飞秒激光在机器部件辅助制造和识别代码标记等方面的能力，将使其在医疗设备制造中获得更广泛的采用。

芯片实验室（Lab－on－chip）制造拓宽应用缺口

除了在医疗保健环境中使用的设备外，当然还有大量用于家庭的医疗监控设备可以利用激光来进行加工与制造。这是一个不断增长的市场——我们中的许多人都在努力改善我们的健康状况，随着人口的老龄化，人们更希望利用先进的技术来管理健康状况和辅助健身。NKT Photonics的Imam认为，这一大趋势将在未来五年内拉动激光加工需求的增长。

他表示：“人们正积极地进行更加个性化的健康检测和监测。今天，我们已经可以看到用于持续血糖监测、血氧含量、血压等的传感器。这些生物传感器将变得越来越重要，因为卫生服务提供者将依赖持续的实时数据来获取患者的健康状况。”

由于这些不同的功能在同一芯片上需要不同的结构和不同的材料，预计激光加工这些芯片将变得越来越重要。此外，“芯片实验室”（Lab－on－chip）传感器也取得了重大发展，这些传感器让普通人可以直接在医疗保健提供者甚至家中进行本地测试和诊断，而不是将血液样本送到既昂贵又耗时的中央实验室这些场所。

“这些传感器需要在一个微型芯片平台上实现多模态功能：微流体、化学混合和光引导，”Imam继续说道，“由于这些不同的功能在一个芯片上需要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。”

“我们已经可以看到，医疗公司更喜欢用基于激光的技术来制作这些复杂传感器的原型，”Imam补充表示，“这是因为使用传统机械技术进行原型设计只需要最少数量的样品，如果传感器由于芯片上的不同功能而需要几种不同的技术，那么在开发阶段就需要购买大量的样品，这使得整个过程既昂贵又耗时。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，使原型的周转速度更快、成本更低。”

文／Sharon Ann Holgate

注：本文编译自Laser Systems Europe， 2022年11月22日发布的Growth areas for femtosecond lasers in medical device manufacturing