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激光焊接在醫療器械的應用

2018-03-27 09:38:10 來源網站:免費論文網創業好點子 本文移動端:激光焊接在醫療器械的應用

激光焊接在醫療器械的應用 本文關鍵詞:焊接,醫療器械,激光

激光焊接在醫療器械的應用 本文簡介:〔摘要〕激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優點被越來越廣泛地應用在醫療器械的各個領域。本文綜述了金屬激光焊接和塑料激光焊接在醫療器械領域的應用及其成型工藝。〔關鍵詞〕金屬激光焊接,塑料激光焊接,醫療器械隨著激光的出現,人們逐漸意識到其具備較高的亮度、單色性以及方向性等強大的優勢,將其運用

激光焊接在醫療器械的應用 本文內容:

〔摘要〕激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優點被越來越廣泛地應用在醫療器械的各個領域。本文綜述了金屬激光焊接和塑料激光焊接在醫療器械領域的應用及其成型工藝。

〔關鍵詞〕金屬激光焊接,塑料激光焊接,醫療器械

隨著激光的出現,人們逐漸意識到其具備較高的亮度、單色性以及方向性等強大的優勢,將其運用在科學研究、軍事、通信等領域當中均起到了重要的幫助。焊接技術在順應這一發展趨勢后與激光相互結合形成全新的激光焊接技術,能夠有效突破傳統焊接技術的局限性,因此也被積極運用在汽車制造、航空航天等領域當中[1]。其次激光焊接技術在醫療衛生方面也得到了廣泛的應用,由于該應用領域對其制造過程有著高潔凈性的苛刻要求,而激光焊接技術正好滿足它的需求。且與其他常用的焊接技術相比,激光焊接技術幾乎不產生焊渣和碎屑,而且焊接過程中更不需要添加任何粘合劑,因而可在潔凈室中完成整個焊接工作。激光焊接技術的加入大大地促進了醫療器械的發展,比如有源植入式醫療器械的外殼封裝、心臟支架的不透射線標記、耳垢防護器、球囊導管等均離不開激光焊接的使用。

1金屬激光焊接在醫療器械領域中的應用

1.1有源植入式醫療設備

植入式醫療電子設備,如心臟起搏器、植入式心電圖機和神經刺激器(脊髓刺激器、腦深部刺激器和植入式人工耳蝸等),用在人體內部管理和治療身體的生理狀況,例如心律、慢性疼痛、帕金森癥或者嚴重的耳聾。過去的十年里患者們為提高生命質量使植入式醫療電子設備的使用率以雙位數的速度快速增長。這些植入式電子設備通常由微電子電路和提供能量的電池組成。為了保護微電子電路和電池,需要將其密封包裝在金屬殼內。如若失去密封,體液能直接滲入到金屬包裝中導致微電子電路的短路失效從而危及患者的生命。激光焊接技術是植入式醫療器械最常用的連接和密封技術。植入式醫療器械的金屬外殼一般采用鈦和鈦合金,但是鈦在高溫下有強烈的吸氫、氧、氮的能力,因此激光焊接過程需要在惰性氣體密封的環境中進行。2005年Li等[2]發表了關于封焊過程中惰性氣體含量問題的論文,研究表明在惰性氬保護氣體中加入10%的氧后,商業純(CP)二級鈦焊縫硬度從242HV增加到373HV。此外,在裝置內密封惰性保護氣體,可提高焊接設備的可靠性。因此,通常用惰性氣體控制的環境來進行激光密封焊接,而濕度、氧氣或氮氣需要控制在較低的水平。激光焊接中,激光能量的控制對焊接質量起著至關重要的地位。激光照射金屬表面,開始時會將60%~80%的激光能量反射掉,而隨著溫度升高,金屬對激光能量的吸收率會逐漸提高,達到沸點時,可以吸收接近90%的能量[3]。2008年黃德群[4]根據鈦合金對激光的吸收規律,采用如圖1(a)所示的激光脈沖波形,在脈沖的后續波形中,逐漸降低脈沖能量的比例,以最小的熱量維持焊接的持續性,得到的焊點均勻重疊如圖1(b)。

1.2無源醫療設備

有源植入式醫療設備對激光焊接工藝密封性的要求十分嚴格,最常用細漏測法是氦質譜儀,軍用標準MIL-STD-883(1014)規定了精細的檢漏方法[5]。而激光焊接在無源醫療設備的應用主要是連接作用,能實現微小零件的精密焊接。1.2.1心臟支架心臟支架又稱冠狀動脈支架,是心臟介入手術中常用的醫療器械,具有疏通動脈血管的作用。主要材料為不銹鋼、鎳鈦合金或鈷鉻合金。心臟支架通過傳輸一路到達目的地的過程中,支架兩端的不透射線可以清楚看到它的蹤跡及撐開狀態,不透射線標志物可由黃金、鉭和鉑銥等貴金屬制成,標志物可以鉚接,此成型工藝可采用最小光斑直徑為40μm(0.04mm)激光將圓盤狀標志物焊接進特殊的眼孔。激光焊接鎳鈦合金支架金標志物示意圖如圖2所示,以及焊有金標志物的支架在X線下的顯影效果如圖3所示。激光焊接工藝的研究和使用,使兩個極小零件的有效連接成為可能,這也是激光焊接在醫療器械領域應用越來越廣泛的原因。1.2.2胃鏡活檢鉗醫療中所用的胃鏡活檢鉗需要深入到患者的身體內部,因此對活檢鉗的質量要求十分苛刻,其組成的每個部件都需要滿足一定的抗拉強度,以及良好的外觀,尤其表面不允許有毛刺等情況。在之前的生產加工過程中,胃鏡活檢鉗前端鉗子的部分采用的是鉚接、電阻焊接等方式結合,而鉚接的方式會在穿刺槍的表面留下毛刺等缺陷,電阻焊接也會使零部件產生很大的形變,影響穿刺槍的實際應用,而激光焊接技術具有非接觸加工、熱影響范圍窄、效率高、加工精度高等特點,可實現醫療領域器械無瑕疵、無凹槽、無折痕、無毛刺以及無裂紋的焊接要求[6]。2014年吳曉紅采用波長為1.06μm的Nd:YAG激光器對胃鏡活檢鉗進行焊接,通過調節激光的電流、脈沖寬度、離焦量等工藝參數對其進行精密焊接試驗,達到很好的焊接效果[7]。活檢鉗示意圖及激光焊接效果圖如圖4-圖5所示。金屬激光焊接在醫療設備領域的應用不只局限于上述方面,比如激光焊接早已被廣泛應用于口腔修復,Tiossi等[8]對三單位純鈦(Ti)種植橋進行了研究,結果表明激光焊接組的被動吻合性遠高于整體鑄造組。Salvatore等[9]在桿卡式種植覆蓋義齒中輔以激光焊接技術,較大地提高了此類修復體的穩定性、固位性及適合性。金屬激光焊接技術在醫療器械領域的應用無處不在,加以研究能促進精密醫療器械的發展。但并非所有的金屬材料都可被激光焊接。

1.3金屬激光焊接材料的選擇

有些金屬材料的焊接性能很差,這將會導致裂紋、孔隙度和脆性金屬間化合物等方面出現缺陷。基于現有的數據[10]和過去的測試,純金屬材料的激光焊接性如表1[11],這些不同金屬的焊接性能可用于焊接設計階段材料的選擇。然而,對于一些用于醫療器械的金屬合金,如鈦、鎳鈦諾、MP35N、鉑、316不銹鋼和鎳,缺乏可焊性信息。即便如此人們也已經對這些不同材料組合的可焊性進行了非常有限的研究,如鎳鈦諾/不銹鋼和Pt/Ti。交叉焊接的規則是,上述金屬的類似材料連接處通常是可焊的,但不相似的材料組合可能會導致不良的焊接性。例如,由于金屬間化合物的存在(Ti3Pt5,TiPt3和Ti3Pt),使得鉑與鈦的焊接接頭容易碎裂。對Ti/Pt焊縫表面通過掃描電鏡(SEM)分析表明,斷裂表面是典型的解理斷裂模式如圖6[11]因此,在進行金屬類的激光焊接時,應合理考慮金屬材料的可焊性。激光焊接適用于金屬類醫療器械之外,還可以焊接塑料材料的醫療器械。

2塑料激光焊接在醫療器械領域中的應用

隨著塑料材料在醫療器械領域廣泛應用,新型的塑料生產及加工工藝也層出不窮,激光焊接作為其中的一種,因其無污染、非接觸性、無縫連接等優點受到該行業的廣泛關注。

2.1Phonak耳垢防護器

目前人們聽力受到障礙及聽力下降的情況很普遍,幸運的是,新型的助聽器可以在很大程度上幫助患者改善聽力狀況。助聽器的不斷研發,使得助聽器越來越趨于小型化,從而為用戶提供更小、更舒適、肉眼不可見的助聽器。當今典型的ITE助聽器只有小指尖那樣大小。但是所有助聽器都面臨著一個大問題:耳道內產生的耳蠟(也稱耳垢)對聲音輸出區域造成污染[12]。為了保證助聽器可以發揮其可靠功能,有必要在其聲音輸出的位置提供防護措施。Phonak新型“智能護衛”的耳垢防護中,采用的方法是在微小的墊圈上焊接了一種極薄的具有高彈性的隔膜,它能有效地隔斷耳垢進入助聽器,此類焊接技術是瑞士萊丹科技公司開發的激光掩膜焊接工藝使這一高精度的連接工藝成為可能。整個耳垢防護器的大小只有幾個毫米,需要將一個隔膜焊接到一個大約3mm大小的墊圈上[12],墊圈采用熱塑材料制成,焊接效果如圖7所示。

2.2生物醫療分析儀器

生物醫療分析儀器通常要求無菌,不能有任何化學物質摻雜。而傳統的方法采用膠水粘連方式,這種方式可能會將化學物質帶入分析儀器內從而影響分析精度。而摩擦焊接等其他方式則會在加工過程中產生粉塵或溢出物,對儀器造成污染。而激光焊接技術作為一種非接觸式的焊接方法,特別適用這類產品的生產。如圖8所示的生物醫療分析儀器,其成型工藝采用的瑞士萊丹(Leister)公司研發的激光掩膜焊接工藝,極低的功率即可完成焊接[12]。

2.3球囊導管

球囊導管激光焊接是使用激光作為能量來源的紅外線焊接,可以使用激光束直接射到吸收激光的塑料表面,使塑料熔化實現焊接。先進的激光焊接技術可以實現球囊頭端和管體的無縫連接,使球囊導管在彎曲而狹窄的病變血管中推進時暢通無阻,對血管的損傷降至最小,操作過程更加安全。激光焊接技術的引進有利于進一步縮小球囊擴張導管尖端外徑[13]。激光焊接的球囊導管成型示意圖如圖9所示。與金屬焊接不同的是塑料激光焊接需要的激光功率要小。焊接激光功率越大,塑料件上的熱作用區就越大、越深,將導致材料過熱、變形、甚至損壞,由此應該根據需要融化的深度合理選擇激光功率。塑料激光焊接工藝在醫療器械上的使用遠不止上述幾種應用,塑料激光焊接工藝正被越來越多的醫療器械廠家采用,它的應用前景將非常光明。

3展望

激光焊接作為一種新的加工工藝,在醫療行業中應用越來越廣泛,本研究通過綜述金屬激光焊接及塑料激光焊接在醫療器械中的應用,發現激光焊接技術的引入促使醫療器械更微型化、簡捷、更舒服化。有了激光焊接技術,心臟起搏器可以植入在體內起搏、可以為心臟支架安裝“引路燈”、使球囊導管平滑無縫連接。然而欲使焊接效果達到滿意的程度,還需要對焊接功率、焊接速度、焊接頻率等參數不斷的調試和實驗。當前除了激光焊接技術被應用于醫療設備的生產,有許多其他創新的激光加工技術在醫療設備的制造中也有很大的潛力,比如激光表面改性、激光切割、激光鉆孔和激光微加工等。相信好好研究和借鑒使用這些先進的激光加工技術,會設計出更多高質量、高要求的醫療設備。

作者:王燕 侯文博 張海軍 單位:生物醫用材料改性技術國家地方聯合工程實驗室 齊魯高新技術開發區 同濟大學介入血管研究所

  • 激光焊接在醫療器械的應用

    〔摘要〕激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優點被越來越廣泛地應用在醫療器械的各個領域。本文綜述了金屬激光焊接和塑料激光焊接在醫療器械領域的應用及其成型工藝...




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