Ultrakurzpulslaser für medizinische Anwendungen

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1 20 l M U L T R A K U R Z P U L S L A S E R Ultrakurzpulslaser für medizinische Anwendungen Die Herstellung von MIKRO- UND NANOSTRUKTUREN verfügt über ein hohes Innovationspotenzial bei der Entwicklung und Fertigung von medizintechnischen Applikationen, beispielsweise von Analytik- und Diagnostikprodukten oder Implantaten. Besonders Ultrakurzpulslaser stellen dabei ihre Talente unter Beweis. Bild 1. Grat- und oxidfreie, präzise Schnittkante in Platin, geschnitten mit einem UPK-Laser MANDY GEBHARDT, FALK HÄHNEL, NATHALIE JUTKIN UND YVES RAUSCH Die Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen ist ein weit gespanntes Forschungsund Anwendungsfeld, das ein hohes Innovationspotenzial birgt. Dies gilt besonders für die Entwicklung von Implantaten oder Analytik- und Diagnostikprodukten in der Medizintechnik. Biokompatible mikro- und nanostrukturierte Implantate Verloren gegangene Körperfunktionen und Sinnesleistungen können sich durch die Entwicklung von innovativen Prothesen wiederherstellen lassen. Dabei spielt die Biokompatibilität des medizinischen Implantats eine wichtige Rolle, um Abstoßungs - reaktionen möglichst zu vermeiden. Für derartige Produkte werden meist Werkstoffe und Werkstoffkombinationen verwendet, die einen neutralen oder positiven Einfluss auf die Biokompatibilität haben. Medizinische Untersuchungen haben gezeigt, dass auch die Beschaffenheit der Werkstoffoberfläche einen signifikanten Einfluss auf die Körperakzeptanz haben kann. Somit ist neben den Materialeigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Plastizität auch die Oberflächengestaltung, zum Beispiel mit Ripples (periodische Nanostrukturen) oder Dimples, im µm-bereich von großem Interesse. Als Grundstoffe für Implantate kommen unter anderem metallische und keramische Werkstoffe, aber auch Glas und Kunststoffe zum Einsatz, deren Anwendungsspektrum von Zahnfüllungen über Kontaktlinsen bis hin zu Endoprothesen reicht. Im Zuge immer kleiner werdender Strukturen wird das Hauptaugenmerk auf höchste Präzision hinsichtlich Oberflächenqualität, Gratfreiheit und Konta mina tions - freiheit gelegt. Dabei stoßen elektrische oder mechanische Fertigungstechnologien mehr und mehr an die Grenzen ihrer Möglichkeiten. Die Lasermikro - bearbeitung bietet aufgrund des kraft- und kontaktfreien Abtrags sowie der geringen Ausdehnung wärme - beeinflusster Zonen die besten Voraussetzungen für die in der Medizintechnik geforderte hohe Qualität und Präzision. Insbesondere die neueste Generation > KONTAKT HERSTELLER 3D-Micromac AG Chemnitz Tel Fax Bilder: 3D-Micromac MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 01/12

2 l M 21 Bild 3. Die SEM-Aufnahme zeigt eine Schnittkante von Platin Bild 2: Links (nach der Bearbeitung): Die in der SEM-Aufnahme zu sehende schwarze Kante stellt abgelagertes Material an einer 50 µm dicken Platinfolie dar. Rechts: Schnittkante nach dem Laserreinigungsprozess verfügbarer Ultrakurzpulslasersysteme (Piko- und Femtosekundenlaser) entspricht den Anforderungen der modernen Fertigung. Die Bearbeitung mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen mit Pulsdauern im Piko und Femtosekundenbereich (10-13 bis s) wird oft als kalte Ablation bezeichnet, die jedoch nur bei Pulsdauern unter 10 fs auftritt. Liegt die Pulsdauer oberhalb dieses Zeitintervalls, findet eine Elektron-Phonon- Wechselwirkung und damit verbunden eine Temperaturleitung im Werkstoff statt. Jedoch beschränkt sich diese idealerweise bis in den Pikosekunden - bereich nur auf wenige 100 nm Materialbreite. Der Vorteil dieser KP- und UKP-Laser liegt darin, dass sie die gesamte Laserenergie in sehr kurzer Zeit an das Material abgeben. Dabei werden extrem hohe Leistungsdichten bis zu einigen Gigawatt pro Quadratzentimeter erreicht. Die damit verbundene sehr gute Absorption der Laserstrahlung bietet die Möglichkeit, den Werkstoff quasi athermisch und extrem präzise zu bearbeiten. Die Ergebnisse dieser Laserablation sind scharfe und definierte Schnittkanten mit nahezu keiner Materialkontamination an der Oberfläche. Die Anwendungsfelder sind daher vor allem das Laserfeinschneiden, das Mikrostrukturieren, das Mikrobohren mit hohem Aspektverhältnis sowie die Markierung mit fälschungssicheren Merkmalen. Laserbearbeitung von Platinlegierungen In der modernen Implantologie wird vor allem Platin eingesetzt, da dessen Verträglichkeit gegenüber Gold und anderen Metallen deutlich höher ist. Weil Platin jedoch teuer ist, ist eine effektive Materialausnutzung ohne große MIKROPRODUKTION 01/12

3 22 l M U L T R A K U R Z P U L S L A S E R Bild 4. Schnittkante von Titan Bild 6. SEM-Aufnahme einer geritzten Polyimidfolie Materialschädigung erforderlich. Untersuchungen haben gezeigt, dass es bei der Laserbearbeitung mit Pulsdauern im Mikro- und Nanosekundenbereich zur Bildung von schwer löslichen Verbindungen, beispielsweise von Metalloxyden, kommen kann. Diese stark haftenden Abprodukte des Laserprozesses können die Haltbarkeit des Implantats sowie die Biokompatibilität negativ beeinflussen und eventuell immunologische Reaktionen im Körper hervorrufen. Bei der Bearbeitung von Platin erweisen sich Ultrakurzpulslaser als ein hervorragendes Werkzeug, da es bei diesen nur eine sehr kleine wärmebeeinflusste Zone ohne Schmelzbildung gibt. Dies garantiert eine grat- und oxidfreie, präzise Schnittkante (Bild 1). Trotz optimaler Prozessbedingungen kann es zur Ablagerung von Ablationsmaterial um die Schnittgeometrie kommen. Dabei handelt es sich jedoch nur um Bild 5. Laserschneiden einer Polyimidfolie: Die Schnittkante weist weder einen Grat noch angeschmolzene Bereiche auf leicht anhaftendes Debris, das sich durch einen nachgeschalteten Laserreinigungsprozess rückstandsfrei entfernen lässt. Das eigentliche Produkt wird durch diesen späteren Reinigungsprozess nicht mehr beeinflusst (Bilder 2 und 3). Die Schnittversuche an einer 50 µm dicken Platinfolie wurden mit einem Pikosekunden-Lasersystem mit einer durchschnittlichen Leistung von 15 W bei 1064 nm durchgeführt. Das System verfügt über drei Wellenlängen: 1064, 532 und 355 nm. Nach umfangreichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Wellenlänge von 355 nm am besten für das Mikroschneiden der Metallfolien geeignet ist. Die Bearbeitung erfolgt mit Frequenzen von weniger als 200 khz, sodass diese für ausreichend Pulsenergie sorgen. Laserschneiden von Titanfolie Technisch reines Titan zählt zur Gruppe der reaktiven Metalle. Durch seine hervorragende Gewebeverträglichkeit kommt das Reintitan auch in der Medizintechnik als Material für Implantate und Instrumente zum Einsatz. Die hohe Affinität des Titans zu atmosphä - rischen Gasen trägt zur exothermen Reaktion des Metalls mit Sauerstoff aus der Umgebung bei und verursacht das Entstehen von Oxiden an der Material - oberfläche. Daher sollte die Bearbeitung in der Regel im elektrisch geheizten Ofen, im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre stattfinden. Versuche zur Bearbeitung von Titan mittels Laser ergaben, dass es möglich ist, das Material bei Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen im Bereich von wenigen Pikosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden gänzlich ohne Schutzgasatmosphäre zu prozessieren. Dabei entsteht keine Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Material. Die Schnittkante ist gratfrei (Bild 4), und die Oberfläche zeigt nahezu keine wärmebeeinflusste Zone. Für die Bearbeitung kommt ein leistungsstarker, hochrepetierender Pikosekunden-Ultrakurzpulslaser mit verfügbaren Frequenzen von bis zu 2 MHz zum Einsatz, der eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und hohen Durchsatz gewährleistet. Bilder: 3D-Micromac MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 01/12

4 U L T R A K U R Z P U L S L A S E R l M 23 Bild 7. Teilansicht eines Mikrokavitätssensors Medtec: in Stuttgart, Halle 4, Stand 4669 Fertigung von Mikrofluidiksensoren Mikrofluidische Bauelemente dienen zur Analyse, Detektion, Übertragung und Überwachung von Flüssigkeiten und Gasen. Die schnelle Prüfung verschiedenster Substanzen, Viren, Proteine oder Bakterien kann nur mit präzisem Handling von vielen kleinen Flüssigkeitsproben erreicht werden. Im bisherigen Fertigungsprozess wurden die entsprechenden Strukturen mechanisch oder durch fotolithografische Verfahren hergestellt. Laser sind aufgrund ihrer hervorragenden Fokussierbarkeit in der Lage, Material außerordentlich präzise und selektiv abzutragen. Ultrakurzpulslaser erzeugen dabei Mikrostrukturen wie Kanäle und Kavitäten mit Abmessungen von weniger als 15 µm sowie kleinste 3D-Objekte. Auch der selektive Abtrag von Beschichtungen ist mit UPK- Lasern kein Problem. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Bearbeitungstechniken liegen die Vorteile des Lasers in der kontaktfreien Bearbeitung und der hohen Designfreiheit. Laserschneiden von Polyimidfolie Polyimidfolie eignet sich für die Herstellung von integrierten Schaltungen in Kombination mit mikrofluidischen Strukturen. Mittels Laser kann dieses Material hervorragend geschnitten oder anderweitig strukturiert werden (Bild 5). Die Bearbeitung erfolgt mit Frequenzen von 50 bis 100 khz bei hohen Pulsenergien. Die Verwendung einer Laserwellenlänge von 355 nm ermöglicht eine Laserstrahlfokussierung auf wenige Mikrometer. Hinzu kommt die relativ gute Absorption dieser Wellenlänge von Polymeren im Vergleich zu 532 oder 1064 nm. Es erwies sich als hilfreich, die Folie zuerst anzuritzen und in einem zweiten Prozessschritt zu trennen (Bild 6). Mit diesem Verfahren konnten sowohl normale PE-, PET- und Polyimidfolien als auch medizinisch relevante, plastisch verformbare Innovatives Fügen von Kunststoffen: Feinste Schweißverbindungen für Mikroanwendungen ohne mechanische und thermische Beanspruchung Laser-Kunststoffschweißen als Dienstleistung Qualitätssicherun ng durch Prozess- überwachung: Online-Prozessdaten- Erfassung für absolute Rückverfolgbarkeit Prototypen-, Klein- oder Großserien- produktion für Automobil- und Medizin- technik nach ISO 9001 LaserMicronics Gmb H Telefon info@lasermicronics.de LaserMicronics bietet umfassende Dienstleistungen im Bereich der Lasermikromaterialbearbeitung und der Prozessentwicklung. Finden S ie gemeinsam mit uns die Lösung für Ihre Produktidee: Telefon MIKROPRODUKTION 01/12

5 24 l M U L T R A K U R Z P U L S L A S E R Bild 8. Strukturierte Leiterbahn und eine Kavität zur Analyse der Substanzen Knorpel- oder Klappenmaterialien (PU-Folien) bearbeitet werden. Bild 5 zeigt eine Schnittkante, die weder einen Grat noch angeschmolzene Bereiche aufweist. Erzeugung von Kavitäten Die Herstellung von Mikrokavitätssensoren erfordert einen mehrstufigen Prozess und den Einsatz verschiedener Laserquellen (Bild 7). Zuerst werden Kavitäten im Substrat, das beispielsweise ein Polymer oder ein Glas sein kann, mithilfe eines Excimerlasers erzeugt. Diese Näpfchen haben unterschiedliche Kantenlängen in Größenordnungen von 100 bis 500 µm und Tiefen von 50 bis 250 µm. Die Grundfläche der Kavitäten weist eine geringe Rauigkeit auf und ist für spätere optische Analysen transparent (Bild 8). Mit Maskenprojektion wird ein vorgegebener Wandwinkel von circa 55 erzeugt. Die Wellenlänge des Excimerlasers liegt im tiefen UV-Bereich. Diese Wellenlänge wird sowohl von den oben genannten Polymer- als auch von Glas- und Keramikwerkstoffen absorbiert, wodurch eine gute Bearbeitung möglich ist. Selektiver Abtrag von Goldbeschichtung Nach der Beschichtung der zuvor mit Kavitäten strukturierten Analyseplatte mit Titan und Gold, deren Schichtdicken bei 2 und 450 nm liegen, folgt ein selektiver Abtrag der Gold- und Titanschicht, um entsprechende Leiterbahnen und Elektroden zu erzeugen. Dabei darf das darunter befindliche Substrat nicht beschädigt werden. Dieser selektive Schicht - abtrag ist nur mit einem Ultrakurzpulslaser und einem geeigneten Laserparametersatz möglich. Die Breite der Leiterbahnen kann je nach Anforderung des Kunden frei gewählt werden. Im Anwendungsfall wurden Leiterbahnen strukturiert, deren Breiten unter 10 µm liegen. Obwohl die Ablationsschwellen von Gold und Titan viel höher sind als die von Kunststoff, ist es möglich, die Metallschichten selektiv vom Kunststoff abzutragen, ohne diesen zu beschädigen. Der beschriebene Analysechip kann zur Analyse von in wässrigen Lösungen vorkommenden Proben genutzt werden, insbesondere zur Bestimmung von elektrischen Eigenschaften. Markierung von Intraokularlinsen Bei starker Fehlsichtigkeit können künstliche Linsen, sogenannte Intraokularlinsen, in das Auge implantiert werden. Meist werden sie nach Entfernung der natürlichen Linse im Rahmen einer Operation des grauen Stars implantiert, können aber auch zusätzlich zur natürlichen Linse eingesetzt werden. Intraokularlinsen bestehen heute meist aus einem weichen Polymer, einem hydrophoben Acrylat, das sich durch besondere optische Eigenschaften und eine sehr gute Verträglichkeit auszeichnet. Beim Einsatz der künstlichen Linse in das menschliche Auge darf diese keine Mängel in der Oberflächenqualität aufweisen, um eine mögliche Abwehrreaktion zu verhindern. Aus diesem Grund dürfen zur Rückverfolgung der Implantate keine Technologien verwendet werden, die die Materialoberfläche beeinträchtigen oder bei denen Fremdsubstanzen abgelagert werden. Es bestand bis dato keine Möglichkeit, die transparenten Intraokularlinsen zur Wiedererkennung zu markieren. Die Lösung lieferte schließlich die Innenmarkierung mit Ultrakurzpulslasern. Dabei erfolgt die Markierung der Linse unterhalb der Oberfläche am Rand des Implantats (Bild 9). Der Laserstrahl wird sehr fein in das Polymer fokussiert und erzeugt dort eine Materialmodifikation von etwa 2 µm Durchmesser. Diese sogenannten Dots generieren keine Spannungen oder Mikrorisse im Material. Die Markierung bleibt somit über Jahre stabil und kann ausgelesen werden. Diese Technologie ist auch auf Glassubstrate übertragbar und wird zum Beispiel bei der Markierung von Wirkstoffampullen angewendet. Der Vorteil liegt darin, dass die Markierung weder mit dem Wirkstoff noch mit der Atmosphäre in Kontakt kommt. Die Kontraststärke kann durch die Anordnung der Dots beeinflusst werden. Je nach Anwendung und Material sowie verwendeter Laserquelle können bis Bilder: 3D-Micromac MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 01/12

6 U L T R A K U R Z P U L S L A S E R l M 25 zu Dots pro Sekunde erzeugt werden. Eine Nachbehandlung oder Reinigung ist bei diesem Verfahren nicht erforderlich. Durch die integrierten Visualisierungssysteme in den Mikrostrukturierungsanlagen von 3D-Micromac können diese Markierungen auch direkt ausgelesen und einem Produkt zugeordnet werden. Zudem ist es möglich, diese Markierungen mit Sicherheitsmerkmalen zu versehen, um eine Fälschungssicherheit der Produkte zu gewährleisten. MI Bild 9. Matrix zur Rückverfolgbarkeit von Intraokularlinsen: Die Markierung erfolgte im Inneren der Linse mit einem UPK-Laser AUTOREN Dipl.-Betrw. (BA) MANDY GEBHARDT ist Marketingleiterin bei 3D-Micromac in Chemnitz; gebhardt@3d-micromac.com B.Sc. NATHALIE JUTKIN ist Applikationsingenieurin im gleichen Unternehmen; Dipl.-Ing. (FH) FALK HÄHNEL und Dipl.-Ing. YVES RAUSCH sind ebenfalls beide Applikationsingenieure bei 3D-Micromac; MIKROPRODUKTION 01/12