超高速レーザーはどのようにして医療機器の精密加工を実現するのか？

新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、医療処置、医薬品、医療用品の需要が急増しました。マスク、解熱剤、抗原検出試薬、パルスオキシメーター、CTフィルム、その他関連医薬品や医療機器の需要は今後も続くと予想されます。命はかけがえのないものであり、人々は医療処置に惜しみなくお金を費やすことを厭わないため、数億ドル規模の医療市場が誕生しました。

超高速レーザーにより医療機器の精密加工を実現

超高速レーザーとは、出力パルス幅が10⁻¹²秒以下、すなわち1ピコ秒以下のパルスレーザーを指します。超高速レーザーの極めて狭いパルス幅と高いエネルギー密度は、従来困難であった高精度、高精細、高シャープ、高硬度、難加工といった加工上のボトルネックを解消することを可能にします。超高速レーザーは、生物医学、航空宇宙、その他産業における精密加工に幅広く応用されています。

医療用レーザー溶接における主な課題は、異種材料の溶接の難しさ、融点、熱膨張係数、熱伝導率、比熱容量、および材料構造の違いにある。製品は小型で精密なサイズが求められ、高精度な加工が必要となるため、補助的な高倍率の視覚装置が必要となる。

医療用レーザー切断の主な問題点は、極薄材料（一般的に厚さ0.2mm未満）の切断において、材料が変形しやすく、熱影響部が大きすぎて、切断端がひどく炭化してしまうことです。また、バリが発生し、切断ギャップが大きく、精度が低いという問題もあります。さらに、生分解性材料は熱融点が低く、温度変化に敏感です。脆性材料の切断では、欠けやすく、表面に微細な亀裂が生じ、残留応力の問題が発生するため、完成品の歩留まりが低くなります。

材料加工業界において、超高速レーザーは高精度かつ極めて小さな熱影響部を実現できるため、切断、穴あけ、材料除去、フォトリソグラフィーなど、熱に弱い材料の加工に有利です。また、脆い透明材料、超硬材料、貴金属などの加工にも適しています。マイクロメス、ピンセット、微多孔性フィルターなどの医療用途では、超高速レーザーによる精密切断が可能です。ガラスの超高速レーザー切断は、ガラス板、レンズ、医療機器に使用される微多孔性ガラスなどに適用できます。

治療の迅速化、患者の苦痛軽減、治癒促進において、インターベンショナルデバイスや低侵襲デバイスが果たす役割は計り知れません。しかしながら、これらの器具や部品を従来の技術で加工することはますます困難になっています。これらのデバイスは、人間の血管などの繊細な組織を通過できるほど小型であること、複雑な処置を実行できること、安全性と品質に関する要件を満たすことに加え、複雑な構造、薄肉、繰り返しのクランプ、極めて高い表面品質要求、そして高度な自動化へのニーズといった共通の特徴を持っています。典型的な例として、極めて高い加工精度が求められ、長年にわたり高価であった心臓ステントが挙げられます。

心臓ステントのチューブ壁は極めて薄いため、従来の機械切断に代わる方法としてレーザー加工がますます広く用いられるようになっている。レーザー加工は好ましい方法となっているが、アブレーション溶融による通常のレーザー加工では、バリの発生、溝幅の不均一、表面の深刻なアブレーション、リブ幅の不均一といった一連の問題が生じる可能性がある。幸いなことに、ピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーの登場により、心臓ステントの加工は大幅に改善され、優れた結果が得られるようになった。

医療美容における超高速レーザーの応用

レーザー技術と医療サービスのシームレスな統合は、医療機器業界の継続的な進歩を牽引しています。超高速レーザー技術は、医療機器、医療サービス、バイオ医薬品、医薬品といった高度な技術分野で幅広く活用され、重要な役割を果たしています。さらに、超高速レーザーは、患者の生活の質を向上させるために、人間の医療分野でも直接的に使用されるケースが増えています。応用分野に関して言えば、超高速レーザーは、眼科手術、肌の若返り、タトゥー除去、脱毛などのレーザー美容治療といった分野を含め、生物医学分野をリードしていくことが期待されています。

レーザー技術は、医療美容や外科手術において長年にわたり広く利用されてきました。かつては、近視手術にはエキシマレーザーが、そばかす除去にはCO2フラクショナルレーザーが一般的に用いられていました。しかし、超高速レーザーの登場により、この分野は急速に変化しました。フェムト秒レーザー手術は、数ある矯正手術の中でも近視治療の主流となり、高い手術精度、最小限の不快感、優れた術後視力効果など、従来のエキシマレーザー手術に比べて多くの利点を提供しています。

さらに、超高速レーザーは、色素沈着、先天性ほくろ、タトゥーの除去、皮膚の老化の改善、肌の若返り維持にも使用されています。医療分野、特に臨床外科や低侵襲手術における超高速レーザーの将来性は有望です。レーザーナイフを用いて、手作業では除去が難しい壊死細胞や有害細胞、組織を正確に除去することは、この技術の可能性を示す一例に過ぎません。

TEYU 超高速レーザーチラーCWUPシリーズは、±0.1℃の温度制御精度と800W～3200Wの冷却能力を備えています。10W ～40Wの医療用超高速レーザーの冷却に使用でき、機器の効率向上、機器寿命の延長、そして医療分野における超高速レーザーの応用促進に貢献します。

結論

医療分野における超高速レーザーの市場応用は始まったばかりであり、今後の発展には計り知れない可能性を秘めている。