Ultrakurzpuls-Laser kommen in technisch höchst anspruchs-vollen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Diese reichen vom Bearbeiten empfindlicher Materialien und feinster Strukturen über die Bildgebung in der Mikroskopie bis zu chirurgischen Eingriffen am menschlichen Auge.
Die Lichtpulse der Ultrakurzpuls-Laser liegen im Piko- oder noch kürzeren Femtosekundenbereich. Damit können unterschiedliche Materialien äußerst präzise, schonend und ohne Wärmeentwicklung bearbeitet werden. Konkrete Anwendungsgebiete sind die Augenmedizin, die Herstellung von Medizinprodukten wie Stents oder wissenschaftliche Mikroskopie.
Bei der Herstellung und Bearbeitung von Medizinprodukten, beispielsweise zur Produktion von Stents, die als medizinische Implantate verengte Blutgefäße offen halten, spielt der Femtosekunden-Laser als Präzisionswerkzeug eine wichtige Rolle. Für die Akzeptanz eines Implantates im Körper sind die Struktur, das Material und die Oberflächenbeschaffenheit bestimmende Faktoren. Bei den Stents haben sich Strukturen im Mikrometerbereich als ideal erwiesen. Um solche Größenordnungen zu erreichen, darf das Material während der Bearbeitung nicht aufschmelzen und sich verformen. Dank der ausbleibenden Wärmeentwicklung zerstören Ultrakurzpulslaser die feinen Strukturen nicht.
Ein für den Organismus sehr verträgliches Material ist Nitinol. Die Legierung aus Nickel und Titan ist eine so genannte Formgedächtnislegierung: Stents aus Nitinol dehnen sich erst bei Körpertemperatur auf ihren vollen Durchmesser aus. Diese spezielle Eigenschaft wird zerstört, wenn das Material zu stark erhitzt wird. Hier bietet der Femtosekunden-Laser wiederum den Vorteil, dass das Metall ohne Wärmeentwicklung abgetragen wird. Man spricht dabei auch von einer „kalten Abtragung“, bei der das abgetragene Material über eine Plasmawolke verdampft.
Ein weiteres Kriterium ist die Oberflächenbeschaffenheit des Implantats. Ein Stent mit sauberer und glatter Kantenstruktur wird vom Körper weitaus besser angenommen. Durch das Ausbleiben von thermischen Verformungen oder gar Aufschmelzungen durch die ultrakurzen Pulse des Lasers kann die Anzahl an Nachbearbeitungsschritten stark reduziert werden. Zudem sind mit dem Laser zusätzliche Oberflächenstrukturen auf der Gitterstruktur im Bereich weniger Mikrometer realisierbar.
Ein relativ neues Marktsegment stellen bioresorbierbare Stents dar, die nach einer gewissen Zeit – das können einige Wochen aber auch Monate sein – vom Körper abgebaut werden. Als Alternative zu Strukturen aus Metalllegierungen haben sich Polymere wie beispielsweise Polylaktat bewährt. Polymere reagieren auf Wärmeeinfluss noch empfindlicher als Metallverbindungen und können ausschließlich mit Femtosekunden-Lasern bearbeitet werden.
Seit mehr als zehn Jahren verfügt Spectra-Physics über Erfahrung in der Herstellung von Femtosekunden-Lasern speziell für die Augenmedizin. Wichtig ist dabei, das Gewebe während der Operation nicht zu beschädigen oder zu verletzen. Mit Ultrakurzpuls-Lasern können Schnitte im Auge ohne lokale Aufheizung gesetzt und die Hornhaut ausgesprochen dünn und präzise präpariert werden. Das Gewebe verheilt zudem deutlich schneller als nach mechanischen Schnitten mit Mikrokeratomen. Laserbehandlungen haben deshalb in der Ophthalmologie großflächig Einzug erhalten.
Die Fehlsichtigkeitskorrektur mittels Femto-Lasik gilt mittlerweile unter den Augenlaser-Methoden als besonders sicher und komfortabel für den Patienten. Der häufigste operative Eingriff in der Augenmedizin ist die Behandlung des grauen Stars, der viele Menschen im fortgeschrittenen Alter betrifft. Bei der Operation entfernt der Arzt die getrübte Linse und setzt eine neue, künstliche Linse ein. Der Laser kommt beim Aufschneiden der Hornhaut und Zertrennen der getrübten Linse zum Einsatz, hilft aber auch beim Einsetzen der künstlichen Linse: Mit Femtosekunden-Pulsen lassen sich Mikrostrukturen in das Linsenimplantat schreiben, um diese dem Auge optimal anzupassen.
Die sehr kurzen und intensiven Pulse der Femtosekunden-Laser eignen sich neben der Materialbearbeitung auch für wissenschaftliche Anwendungen in der Mikroskopie. Bei der sogenannten Multiphotonenmikroskopie (Second-Harmonic-Generation-Mikroskopie, SHG) müssen Gewebe vorher nicht mit Fluorophoren oder Markern präpariert werden. Stattdessen regen Laserpulse das Gewebe, zum Beispiel die Blutgefäße einer Maus, im nahen Infrarotbereich an. Das Gewebe sendet kurz darauf Strahlung mit halber Wellenlänge aus, die über das Mikroskop detektiert wird.
Traditionell werden für die Multiphotonenmikroskopie äußerst komplexe und damit kostspielige Titan:Saphir-Laser verwendet, was eine Hürde für den verbreiteten Einsatz darstellt. Für eine große Anzahl an Experimenten und Untersuchungen sind aber auch kompakte Laser mit einer Wellenlänge von 1040 nm geeignet, deren Anschaffungspreis etwa zwei Drittel unter dem eines Ti:Sa-Lasers liegt. Diese kostengünstigen Mikroskope ermöglichen dennoch die Anregung standardisierter Marker wie des Yellow Fluorescent Protein (YFP).
Daniel Achenbach Spectra-Physics, Rankweil/Österreich
Technik für Medizin und Wissenschaft
Das Vorarlberger Hightech-Unternehmen Spectra-Physics, Teil der gleichnamigen Laser-Division der amerikanischen Newport Corporation, zählt zu den weltweit führenden Laser-Herstellern. Am Standort in Rankweil produzieren derzeit 110 Mitarbeiter jährlich mehrere hundert Ultrakurzpuls-Laser für medizinische, wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Im Februar 2015 stellte Spectra-Physics auf der Messe Photonics West in San Francisco mit Spirit One das neueste Ergebnis intensiver Forschungsarbeiten vor. Stromversorgung und Laserkopf sind in einer kleinen, leichten und dennoch robusten Box untergebracht. Die durchschnittliche Leistung liegt bei >3 W, die Impulsenergie beträgt 30 μJ bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Zusätzlich kann der Benutzer die Impulsdauer software-gesteuert zwischen 400 fs und 3 ps frei regulieren.
Ihr Stichwort
- Ultrakurzpuls-Laser
- Schnitte ohne lokale Aufheizung
- Bioresorbierbare Polylaktat-Stents
- Wissenschaftliche Anwendung in der Multiphotonen-Mikroskopie
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