Mikro- und Nanofabrikation
Laser-Gewebe-Wechselwirkung
Femtosekundenlaser bieten hohe Präzision und geringe thermische Schäden und eignen sich für Behandlung und Chirurgie, etwa in der Ophthalmologie.
Produktbeschreibung
Was Laser-Gewebe-Wechselwirkung ist
Die Laser-Gewebe-Wechselwirkung beschreibt die Prozesse, die auftreten, wenn Laserstrahlung von biologischem Gewebe absorbiert wird. Durch die Wahl geeigneter Laserparameter und Bedingungen der Strahlführung kann die Laserbestrahlung so angepasst werden, dass eine kontrollierte Gewebemodifikation erreicht wird. Unter den verfügbaren Lasertechnologien werden Femtosekundenlaser zunehmend für die Gewebebearbeitung eingesetzt, weil sie eine stark lokalisierte Energiedeposition bei begrenzter thermischer Schädigung im Vergleich zu Lasersystemen mit längeren Pulsen ermöglichen. Diese Eigenschaften haben es ermöglicht, Femtosekundenlaser in einem breiten Spektrum medizinischer Disziplinen anzuwenden, darunter Ophthalmologie, Zahnmedizin, Dermatologie und minimalinvasive Weichteilchirurgie.
Wellenlänge und Gewebereaktion
Der Wechselwirkungsmechanismus zwischen biologischem Gewebe und Laserbestrahlung hängt sowohl von den Laserparametern – einschließlich Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsenergie und Wiederholrate – als auch von den Eigenschaften des bestrahlten Gewebes ab. Diese Faktoren bestimmen, wie Laserenergie im Gewebe absorbiert und verteilt wird, und beeinflussen die Tiefe der Wechselwirkung sowie die resultierende Gewebereaktion. UV-Strahlung wird von Biomolekülen in oberflächlichen Gewebeschichten stark absorbiert und von intrazellulären Partikeln gestreut, sodass nur geringe Eindringtiefen von Zehnteln von Mikrometern erreicht werden. Dadurch eignen sich UV-Laser gut für die präzise Oberflächenablation, ihre Nutzung in Verfahren, die den Zugang zu tieferen Gewebezielen erfordern, ist jedoch begrenzt. Im Gegensatz dazu können Nah-IR-Femtosekundenpulse durch optisch transparente Gewebe propagieren, bevor sie in einer gewählten Tiefe fokussiert werden, und so eine Gewebemodifikation unter der Oberfläche ermöglichen, ohne die darüberliegenden Schichten zu schädigen.
Wie Femtosekundenpulse mit Gewebe wechselwirken
Die Femtosekunden-Laserablation beruht darauf, Laserenergie im Gewebe auf einer Zeitskala zu deponieren, die kürzer ist als die, auf der eine nennenswerte Wärmediffusion stattfinden kann. Die hohe Spitzenintensität ultrakurzer Pulse löst nichtlineare Absorption und Plasmabildung im bestrahlten Volumen aus. Einmal erzeugt, absorbiert das Plasma die verbleibende Laserenergie und koppelt sie effizient an das Gewebe, wodurch ein nichtthermisches Ablationsverfahren entsteht, das die Geweberesektion mit präziser Kratergröße, -form und -tiefe ermöglicht und zugleich die thermische Schädigung des umgebenden Gewebes minimiert. Neben Laserfluenz und Wiederholrate spielt die Scanstrategie eine wichtige Rolle. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass geeignet ausgelegte Scan-Algorithmen die Laserenergie verteilen und zugleich eine effiziente Kühlung zwischen aufeinanderfolgenden Laserüberfahrten ermöglichen. Durch Optimierung von Strahlpositionierung und Scansequenzierung kann lokale Wärmeakkumulation selbst bei hohen Wiederholraten minimiert werden.
Vorteile ultrakurzer Pulse
Der wesentliche Vorteil ultrakurzer Pulse ist die Fähigkeit, Gewebe mit hoher räumlicher Präzision zu entfernen und zugleich die thermische Schädigung benachbarten Gewebes zu minimieren. Im Vergleich zu Dauerstrichlasern oder Lasern mit längeren Pulsen ermöglichen ultrakurze Pulse eine präzise Geweberesektion mit minimaler thermischer Schädigung und feiner Tiefenkontrolle und eignen sich daher gut für Verfahren, bei denen der Erhalt des umgebenden Gewebes entscheidend ist. Festkörper-Femtosekundenlaser behalten eine gute Strahlqualität und hohe Stabilität, während ihre Fähigkeit, sowohl IR- als auch UV-Femtosekundenpulse von einer einzigen Laserplattform zu erzeugen, es ermöglicht, mehrere ophthalmologische Verfahren mit einer Laserquelle durchzuführen.
Ophthalmologie
Die Ophthalmologie ist eine der etabliertesten Anwendungen der Laser-Gewebe-Wechselwirkung. Die moderne refraktive Chirurgie kombiniert üblicherweise zwei unterschiedliche Laserquellen: einen Nah-IR-Laser zur Erzeugung eines Hornhautflaps und einen UV-Laser zur Ablation des Hornhautstromas. Nah-IR-Pulse werden in der transparenten Hornhaut fokussiert, wo lokalisierte Photodisruption eine präzise positionierte Gewebetrennung erzeugt, ohne die umgebenden Schichten zu schädigen. UV-Strahlung wird vom Hornhautgewebe stark absorbiert und daher für die kontrollierte Oberflächenablation in photorefraktiven Verfahren verwendet. Jüngste Studien haben gezeigt, dass UV-Pulse von Festkörper-Femtosekundenlasern eine Ablation des Hornhautstromas erreichen können, die mit konventionellen Argonfluorid-Excimerlasern vergleichbar oder in manchen Fällen überlegen ist. Eine hochgeschwindigkeits-transepitheliale photorefraktive Keratektomie mit 206 nm-Femtosekundenpulsen erreichte Ablationsgeschwindigkeiten von etwa 1.6 s pro Dioptrie und hielt zugleich eine vorhersagbare und reproduzierbare Ablation sowie Heilungsreaktionen aufrecht, die mit einer Excimerlaserbehandlung vergleichbar sind. Während des Verfahrens blieb der Anstieg der Hornhautoberflächentemperatur trotz der hohen Ablationsgeschwindigkeit unter 7 °C. Festkörper-Femtosekundenlaser erzeugen UV-Strahlung durch Harmonischenerzeugung, sodass sowohl Nah-IR- als auch UV-Pulse derselben Laserquelle sowohl intrastromale Verfahren als auch die Ablation der Hornhautoberfläche ermöglichen.
Zahnmedizin
Die Zahnmedizin ist eines der aufkommenden Anwendungsgebiete der Femtosekunden-Laser-Gewebe-Wechselwirkung, insbesondere in der automatisierten Kavitätenpräparation und bei restaurativen Verfahren. Die robotische Laserzahnmedizin wurde als Alternative zu herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Zahnbohrern vorgeschlagen und ermöglicht die automatisierte Präparation dentaler Kavitäten bei gleichzeitiger Verringerung der mechanischen Kräfte, der Vibration und des Geräuschs, die mit rotierenden Instrumenten verbunden sind. Studien zur Femtosekunden-Laserablation von Dentin und Schmelz haben eine rissfreie Gewebebearbeitung ohne signifikante Änderungen der chemischen Zusammensetzung, ohne Gewebekarbonisierung, Aufschmelzen oder Deformation gezeigt. Die Laserbearbeitung vermeidet zudem die Bildung der Dentin-Schmierschicht, die typischerweise durch hochgeschwindigkeitsmechanisches Schleifen entsteht, bewahrt die Morphologie der Dentinstruktur und lässt die Dentinkanälchen offen. Im Vergleich zu erbium- und CO₂-Dentallasern, die auf Wasserabsorption und thermomechanische Austreibung angewiesen sind, entfernen Femtosekunden-Laserpulse Gewebe, indem sie das Material direkt in einen Plasmazustand ionisieren. Dieser Prozess erzeugt keine Schockwellen und liefert eine überlegene Oberflächenqualität; Femtosekundenlaser benötigen kein Wasser auf der Gewebeoberfläche und können ein breiteres Spektrum an Restaurationsmaterialien verarbeiten, einschließlich Metallen.
Dermatologie
Die Dermatologie ist ein weiteres Anwendungsgebiet, weil viele Hautbehandlungen eine stark lokalisierte Oberflächenablation erfordern. UV-Strahlung wird in oberflächlichen Gewebeschichten stark absorbiert. Folglich wurden Femtosekunden-UV-Laser als Alternative zu Nanosekunden-Lasersystemen für dermatologische Verfahren untersucht, die eine kontrollierte Gewebeentfernung bei minimalem Kollateralschaden erfordern. Die meisten biologischen Wirkungen von UV-Strahlung unter 320 nm werden ausgelöst, wenn DNA Licht absorbiert. Experimentelle Studien, die 206 nm- und 257 nm-Femtosekundenpulse verglichen, haben gezeigt, dass die biologische Reaktion stark von der Wellenlänge abhängt, wobei 206 nm-Bestrahlung unter den untersuchten Bedingungen geringere DNA-Schäden in Hautzellen erzeugte als 257 nm-Bestrahlung.
Minimalinvasive Chirurgie
Die hohe Präzision und die begrenzte thermische Schädigung, die mit ultrakurzen Laserpulsen erreicht werden, haben auch die Entwicklung minimalinvasiver chirurgischer Verfahren angestoßen. Diese Eigenschaften sind insbesondere in der gastrointestinalen Chirurgie wichtig, wo kolonische Polypektomie und lokale Exzision hohe Präzision zusammen mit minimaler thermischer Schädigung erfordern, weil der Darm dünnwandig ist. Dauerstrichlaser, langpulsige Laser und elektrokautergestützte Verfahren neigen zu signifikanter thermischer Schädigung, mit thermischer Schädigung benachbarten gesunden Gewebes in der Größenordnung von 300 µm bei langpulsigen Systemen. Jüngste Entwicklungen bei Hohlfasern mit negativer Krümmung haben es ermöglicht, energiereiche ultrakurze Pulse bei endoskopischen Verfahren flexibel zu führen. Präklinische Studien an porcinem Kolongewebe haben eine präzise Geweberesektion mit Pulsenergien von 46 and 33 μJ gezeigt, mit einem thermisch geschädigten Bereich kleiner als 85 μm sowie feiner Kontrolle der Ablationstiefe.
CARBIDE und PHAROS
Die Femtosekundenlaser CARBIDE und PHAROS unterstützen ein breites Spektrum von Anwendungen der Laser-Gewebe-Wechselwirkung, indem sie ultrakurze Pulsdauern, hohe Wiederholraten und integrierte Harmonischenerzeugung kombinieren und Ausgangswellenlängen vom Nah-IR bis zum UV bereitstellen. Für ophthalmologische Anwendungen können die fundamentalen Nah-IR-Femtosekundenpulse für intrastromale Verfahren genutzt werden, während über Harmonischenerzeugung bereitgestellte UV-Pulse für die Ablation der Hornhautoberfläche eingesetzt werden können. Dieselbe Wellenlängenflexibilität unterstützt dermatologische Verfahren und andere medizinische Anwendungen, die eine präzise Gewebeablation erfordern.
