Laser 2011 – World Of Photonics V boji se zákeřným Alzheimerem

Rok 2011 je pro rozvoj fotoniky významný opět konáním pravidelného mnichovského veletrhu Laser – World of Photonics. Přestože od prvních laserových aplikací uplynulo už přes 50 let, vývoj jak samotných laserů, tak i metod s jejich užitím nachází stále nová uplatnění ve všech oborech lidské činnosti, počínaje medicínou až po průmysl. Důraz právě na tyto dva obory vystihuje ve zkratce i letošní hlavní zaměření veletrhu, jeho exponátové i programové části. Přestože na stránkách Technického týdeníku sledujeme převážně užití laseru v průmyslu, pak ale význam laseru v medicíně a pokrok ve vyvinutých metodách zaslouží alespoň několik úvodních slov. LASER VELKOU MEDICINSKOU NADĚJI Laser v medicíně se už zdaleka neomezuje jen na biostimulační účinky na tkáňový metabolismus v oblasti plastické chirurgie, dermatologie nebo oftalmologie, ale čím dále více proniká i do léčení nádorových onemocnění, kardiovaskulárních chorob nebo neurologie. Stává se nástrojem pro operace mozku i jiných orgánů a velkou nadějí, právě v Německu probíhajícího projektu, je jeho přispění k včasné diagnostice a terapii neurodegenerativní tzv. Alz heimerovy nemoci. Tou dnes trpí na světě 50 mil. pacientů a varovné prognózy připouštějí do roku 2050 její dvou- až čtyřnásobné rozšíření. Zmíněný projekt, označený spolu s názvem sdružení řešitelů MINDE – Molecular Diagnosis of Neurodegenerative Diseases in the Eye, vznikl za podpory německého Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum BMBF a při koordinaci Carl Zeiss AG je dílem německých výzkumných pracovišť i univerzit. Už během řešení tohoto projektu probíhají i některá praktická šetření – info@medways.eu. Vývojový trend samotných laserů jde cestou zvyšování jakosti paprsku a hustoty výkonu ve směru laserů s ultra krátkými pulzy a již dostatečným výkonem pro provádění požadovaných operací. Těsně to souvisí s novými typy laserů, diskových a vláknových, kde lze dosáhnout jak vysoké kvality paprsku, a zároveň i tak krátké délky pulzu, jejíž interval prakticky vylučuje tepelné ovlivňování okolní zóny operace. To dává opět větší možnost využívání optimálních frekvencí laserů vzhledem k požadované technologii, absorpci paprsku laseru zpracovávaným materiálem či strukturou hmoty. LASEROVY VIDEOENDOSKOP Příkladem v medicíně je užívání laseru při tkáňových operacích, kde se osvědčuje laser s vyzařováním na vlnové délce 2, 3 nebo i 10,6 ?m, kdy tkáně s obsahem vody paprsek laseru dobře absorbují. Pro operace mozku naopak doporučuje projekt EU – MIRSURG (Mid-Infrared Solid-State Laser Systems for Minimally Invasive Surgery), laser s dostatečně vysokým středním výkonem v pulzu, pracující na vlnovém rozsahu 6,45 ?m. Řešení projekt spatřuje v pevnolátkovém laseru s vlnovou délkou 1 nebo 2 ?m, s možností přeladění na vyzařování v rozsahu střední infračervené. Pro řadu vyšetření, hlavně pak opět v oblasti kardiovaskulární a angiologie, přibyl laserový videoendoskop v provedení Fraunhofer ústavů IAF a IMS s dosažitelným vlnovým rozsahem 1,8–2,9 ?m, přičemž nejlepší rozlišení obrazu při transparentním průchodu paprsku krví se ukázalo kolem 2,2 ?m. Řada úkolů, které medicína řeší, je shodná i s obdobnými úkoly v průmyslu. Charakteristickým je například vývoj třírozměrných modelů z práškových materiálů digitalizovanými laserovými postupy s natavováním nebo spékáním vrstev. Oba způsoby, Selective Laser Melting-SLM i Selective Laser Sintering–SLS, mají své opodstatnění jak při vytváření ortopedických implantátů, nahrazujících v lidském těle poškozené klouby a kostní části, tak i při vývoji a výrobě složitých třírozměrných průmyslových výrobků. Vzájemně se obě metody liší výškou teploty procesu, při metodě spékání je nižší, pod teplotu tavení práškového materiálu, ale dostačující pro spékání zrn a vrstev do konečného produktu. Vstupní data pro digitalizaci procesu se v medicíně získávají z údajů počítačové tomografie pacienta, v průmyslu z CAD/CAM dat konstruovaného výrobku. HLEDAJI SE MATERIALY PRO IMPLANTATY Závažnost a rozsah těchto úkolů v oboru medicíny vedly i k ustavení speciálního sdružení ústavů Fraunhofer Gesellschaft – Fraunhoffer-Allianz Generative Fertigung. Vedle vývoje vhodných metod se podílí i na hledání nejvhodnějších materiálů pro různá užití implantátů s rozdílnými nároky na jejich pevnost i přizpůsobivost tkáňovým strukturám. Z hlediska pevnosti se osvědčují především titanové slitiny (TiAl6V4) nebo keramické práškové materiály. U titanových slitin se už vyvinul i proces pro vytváření porézních struktur, které jsou v řadě případů vhodnější pro přizpůsobivost implantátu v těle pacienta. Požadovaných vlastností povrchové vrstvy implantátu, včetně řízené poréznosti, lze ale dosáhnout i dodatečně, povlakováním už hotového základního implantátu. V rámci programu „REMEDIS“, opět podporovaného BMBF, řeší tak Laser Zentrum Hannover a Institut für Biomedische Technik z rostocské univerzity povlakování mikroimplantátů podoby stentů, užívaných při cévní nedostatečnosti. Opět metodou SLS lze tu dosáhnout nové modifikované vrstvy s úzce požadovanými vlastnostmi, odlišnými i od základního konstrukčního materiálu stentu. K vrcholům současného vývoje implantátů patří i implantáty s tzv. biodegenerativní osteoindukční vlastností. Tyto implantáty zůstávají v těle pacienta jen tak dlouho, pokud je jejich funkce potřebná. Poté se sami vstřebávají do organismu a nahrazuje je vývoj vlastní kostní části. I na tento úkol byl vypsán speciální projekt BMBF, nazvaný RESOBONE, jehož řešitelem je Fraunhofer Institut ILT, část medicínskou má na starosti Univerzitní klinika v Cáchách. V současné době se jako vhodný materiál pro tento druh implantátů jeví ?-Trikalciumphospat (?-TPC) v kombinaci s polymerem Polylactid PLA. Tento materiál dovoluje i vytváření speciálních biokanálků v implantátu s přesností na průměr 100 ?m. Stejně jako v medicíně, tak i v průmyslu umožňují nové typy laserů využívání nových materiálů nebo i materiálů sice už dříve známých, ale které nebyly doposud pro zpracování laserem vhodné. V dnešní době se to týká zejména vyššího využívání mědi a jejích slitin, kovu stále vzácnějšího a dražšího, který doposud pro své fyzikální vlastnosti, vysokou tepelnou a elektrickou vodivost a navíc špatnou absorpci laserového paprsku při obvyklé vlnové délce 1 ?m (standardní vlnová délka pevnolátkových laserů a tedy i vláknových laserů) nebyl pro zpracování laserem nejvhodnější. MĚĎ A JEJI SLITINY Hledání reálných postupů při zpracovávání mědi a jejích slitin se proto zaměřuje na jev odlišné absorpční závislosti Cu na různé vlnové délce laserového paprsku. Při vlnové délce Nd:YAG laseru 1 ?m dochází u mědi k absorpci paprsku v rozsahu pod 5 %, ale při frekvenčním přeladění na 532 nm je to už kolem 30 až 40 %, což je pro metodu laserového natavování vrstev SLM příznivější. ILT ale na základě provedených testů při této vlnové délce a s různým výkonem laseru doporučuje užívat pro SLM metodu a práškovou Cu slitinu daleko vyššího výkonu laseru, místo obvyklých 200 W až 1 kW. Při nižších výkonech nejsou vytvářené vrstvy kvalitní a objevují se v nich rysky a natavované minikuličky. Ty jsou přitom větší než tloušťka vrstvy a narušují tak další postup. Kvalitu vrstev při nasazení 1kW laseru si ILT vyzkoušel na slitině Cu Hovadur K 220. Postup byl natolik úspěšný, že bylo možné vytvořit u vytvářeného třírozměrného měděného polotovaru vložek forem na vstřikování plastů i miniaturní chladicí kanálky, které rychleji odvádějí teplo z kritických míst plastového výlisku. Úkolem ale pro ILT zatím zůstává zpracování prášků z čisté mědi, kde tepelná vodivost je přibližně dvojnásobná oproti slitině Hovadur K220. Využití metody Selective Laser Melting SLM pro slitiny hliníku řeší projekt „AluGenerativ“, podporovaný tentokrát společností Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG. Jako řešitel projektu tu opět vystupuje ILT, který tentokráte spolupracuje hlavně s firmami z automobilového průmyslu, především s firmou BMW a FESTO. Testy, které probíhaly při užití slitiny AlSi10Mg z hlediska absolutní hustoty, sledovaly závislost mezi výkonem laseru a rychlostí skenování. Při výkonu laseru 150 W bylo třeba dodržet rychlost skenování 100 mm/s, při výkonu laseru 250 W jí bylo možné zvýšit až na 500 mm/s. Porozita u těchto dílů byla nižší (< 1 %), než u dílů tlakově odlévaných (cca 3 %), mechanické vlastnosti dílů u obou technologií byly obdobné, u některých ukazatelů, jako je pevnost v tahu nebo mez kluzu byly u SLM dokonce i lepší. Postup SLM se oproti tlakovému lití ukázal i jako daleko hospodárnější a rychlejší.. Doposud uváděné postupy výroby třírozměrných Cu a Al dílů se týkaly metody laserového natavování vrstev SLM, metodu laserového spékání vrstev SLS u obou těchto materiálů ověřovala na stavbě miniaturizovaných výrobků firma 3D-Micromac AG. Limitem miniaturizace je tu průměr fokusovaného laserového paprsku, tloušťka vrstev a velikost zrn prášků. Současně komerčně dostupná zařízení pro postupy SLS pracují s tloušťkou vrstev 20–100 ?m. Při průměru fokusovaného laserového paprsku 20–500 ?m nebylo možné dosud při obvyklé velikosti prášků slitin dojít pod tvarové rozlišení spékaných dílů 150 ?m (postupy frézování dosahují rozlišení i 20 ?m). Řešení úkolu na vyšší jemnost rozlišení při metodě SMS se našlo až při sub-?m struktuře zrn kovových prášků, kdy se i tady dosáhlo tvarového rozlišení pod 30 ?m při drsnosti povrchu Ra do 1,5 ?m VICEFOTONOVA STEREOLITOGRAFIE PO JAPONSKU Zajímavou novinkou z oblasti vytváření třírozměrných minimodelů je způsob vícefotonové stereolitografie, vyvinutý na japonské Jokohama National University. U klasické stereolitografie, známé ze způsobů Rapid Prototyping, se model vytváří postupným vytvrzováním vrstev tekutého fotocitlivého polymeru působením vyzařování UV laseru. Oproti této klasické verzi se u vícefotonové variantě vysílá paprsek laseru na fotopolymer, který je ve viditelné a IR části spektra transparentní a fotony mohou polymerem procházet, aniž by docházelo k jejich absorpci podél paprsku. Materiál polymerizuje teprve tehdy, když absorbuje minimálně dva fotony současně, což se děje jen v ohnisku paprsku. Vhodným fotopolymerem pro takový proces jsou např. anorganicko-organické hybridní polymery, známé u nás pod označením Ormocer. Nová metoda je při rozlišení 100 nm vhodná pro vytváření různých dílů mikrosystémů. Od třírozměrných Cu a Al komponentů a metod SLM a SLS přejděme ještě na některé nové zajímavé způsoby spojování těchto materiálů. V úkolu BMBF „DeLIZ“ řeší Fraunhofer Institut IWS netradiční výrobu bimetalických pásků z obou kovů tvářením ve válcích za indukčního laserového předehřevu. Tento způsob spojení zajišťuje dlouhodobě dobré elektrické i pevnostní vlastnosti, vlastní přetváření je menší než 11 % a celý proces probíhá při jednom kroku. Náročné svary nebo navařování Cu a jejích slitin nevystačí podle Laser Zentrum Hannover jen s přeladěním laserového paprsku na zelenou složku spektra 532 nm, ale doporučuje se svařování ve vlnovém mixu, kdy paprsek na vlnové délce 532 nm (zelený) se překryje pulzem s vlnovou délkou 1 ?m (infračervená). Zelená složka se lépe absorbuje, ohřívá měděný povrch od středu k okraji svařovaného bodu. Tím stoupá teplota mědi a s tím i absorpce paprsku při obou vlnových délkách. /jš/