聚醚嵌段酰胺管件的激光加工 - 文章

聚醚嵌段酰胺管件的激光加工

作者：C. Carson and R. Sik 来源：欧洲医疗器械技术

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Avicenna Technology, Montevideo, Minnesota, USA

聚醚嵌段酰胺(PEBA)已成功应用于各种导管设计中。本文说明PEBA与激光加工的兼容性如何能够简化导管制造过程，例如，与其它制造方法相比，它更容易将单硬度挤出物转变为多种硬度轴。

有价值的材料特性

聚醚嵌段酰胺(PEBA)又称为Pebax，是一种可用于医用导管的热塑弹性体，兼具热塑材料和橡胶弹性材料的优点。PEBA的热塑特性意味着在高温下更易加工、挤出和成型，而弹性使之在拉伸、压缩或变形后经过冷却即可恢复原来的长度或形状。

PEBA由于重量轻，能提供各种柔性和硬度，能量归还率更高，抗疲劳特性更佳且在物理和热学应力作用下具有更好的尺寸稳定性（参见表1），因此在同类热塑弹性体中性能突出。该材料对各种化学物质都具有较强的耐受性，且不易被盐或硫酸腐蚀。它符合美国药典VI级认证要求，可采用各种方法（包括伽马辐射、高压蒸汽和环氧乙烷）进行灭菌。

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医疗器械行业中的管件挤压商和导管制造商报告称PEBA在很多方面都是一种模型材料。它具有较宽的热学工作域，根据硬度的不同，其熔点介于134 °C 至174 °C之间。PEBA可与热塑性聚氨酯共挤出，使设计者制造出复合管件。PEBA通过加热或环氧化物易与其它材料结合。这一特性使得PEBA成为复合球囊导管的理想轴材料。

PEBA的刚度范围、各种硬度下的稳定密度及易于溶融加工的特性也使其成为制造由熔融PEBA部件组成的多硬度导管轴的首选材料。采用这种设计的导管通过高硬度近端部分提供极佳的推动能力和扭矩，在低硬度远端部分则能提供灵活的操控性。为了更好地将轴上的扭力传递至末端，通常采用不锈钢织带进行强化。

激光加工的优点

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FIGURE 1: Laser drilling PEBA catheters accommodates fluid aspiration or drug delivery.

许多导管设计需要孔和槽等加工特征，有时是凹槽和锥体。机械法（如钻孔、研磨和刮削）可用于实现上述特性，但可能会在特征边缘留下毛刺，并可能给导管材料施加不希望的热和应力。此外，导管壁上的不锈钢织带可能妨碍利用钻头或刀片的接触加工法。采用激光能量进行非接触式导管加工无需施加应力或热即可将聚合物材料从嵌入的织带上切除，因此成为一种有吸引力的替代方法（图1和2）。此外，如有需要，特定形式的激光能量还可以同时切除聚合物和编带。

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FIGURE 2: Laser marking PEBA catheters embeds product data and creates permanent traceability.

工序

激光能量是高度相干的，即激光仅在唯一特定波长下发射能量。激光能量还是高度定向的，这意味着激光束的光子紧密成簇且平行传输。这种特性使得激光束的能量可以通过光纤或透镜和镜面光束传输系统进行控制（遮蔽、聚焦和改变方向）。

在激光加工工序中，激光烧蚀是通过将材料的吸收特性与合适的激光波长相匹配，然后以正确的能量密度和时间将选择的波长应用于特定的材料上，从而汽化材料。当合适设置功率、脉冲、焦距和持续时间等工序变量时，激光能量即可破坏材料的分子键，引起材料蒸发。真正的激光烧蚀并不依靠热量来熔化或烧掉材料，因此激光烧蚀具有清洁和精加工的特性，不会对周围区域产生热效应。

PEBA是一种对紫外光(UV)敏感的材料，经紫外线辐射后易降解。在为PEBA设计激光烧蚀工序时，应首先考虑上述材料特性。UV能谱的波长范围从接近紫色的400 nm近紫外光到接近X光的10 nm极紫外光。商用激光发出的UV波长范围从第三代Nd:YAG固态激光器的355 nm到氟气准分子激光器的157 nm。由于PEBA在长波长UV辐射下的烧蚀效果不佳，对PEBA执行激光加工时实际UV波长一般越短越好。

追求短UV波长通常会使激光加工商使用氩氟气准分子激光器的193 nm波长。但这种选择也不无挑战。193 nm波长属于能谱的真空紫外区段，可被空气中的氧气迅速吸收。因此，采用193 nm波长UV的激光烧蚀必须在真空或惰性无氧环境下进行。

撇去上述基础设施挑战不谈，氩氟准分子激光器波长和所有准分子激光器波长产生的激光束尺寸确具吸引力。准分子激光器的原始光束达12 mm高 × 24 mm宽。经过遮蔽和聚焦后，原始光束仍可形成较大的工作光束，使激光加工商能够在工作场地应用宽度超过2.5 mm的高阶能量，并在相对较短的时间内切除大量PEBA材料。例如，每分钟可以切除0.084 mm3的PEBA材料，相当于每分钟切除长100 mm、深0.051 mm的材料。增加激光脉冲率可进一步加快批量切除工序。

表1：PEBA的特性（来源：Arkema）
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这可能是激光加工给PEBA导管制造商带来的最大优势。激光加工可以切除导管轴上的大段PEBA，形成直径较小的区域，作为低硬度PEBA的最佳结合位置。可以想象，与将PEBA分立部件与内轴和热收缩外壳熔合的制造方法相比，这种方法更容易将单硬度挤出物转变为多硬度轴，从而简化导管制造过程。

精度和效率

PEBA的品质使之成为理想的导管材料。它与激光加工的兼容性进一步促使其成为适用于医疗器械应用领域的材料。这一方法可以避免机械加工中常见的多余瑕疵，同时可以高效且精确地切除大量材料以获得特定导管部件。

Chad Carson是 Avicenna Technology 总裁
Ronald Sik是 Avicenna Technology 新产品开发协调员(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/20/2010)


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