外科植入物多孔涂層體視學(xué)結(jié)構(gòu)性能測試研究

國家食品藥品監(jiān)督管理局天津醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 （天津 300384）

內(nèi)容提要：多孔涂層結(jié)構(gòu)體視學(xué)性能可以按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》評價(jià)適用涂層的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距；個(gè)性化3D打印醫(yī)療器械產(chǎn)品也可參考該方法評價(jià)3D打印多孔結(jié)構(gòu)的平均孔隙率和平均孔隙截距。但該方法不適用于陶瓷涂層，因?yàn)樵撏繉訜o法使用金相制備技術(shù)制備出準(zhǔn)確的涂層橫截面，所以對于植入物基體表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無法開展多孔結(jié)構(gòu)的測試與評價(jià)；同時(shí)，該方法不適用于表征厚度＜300μm的涂層，對于植入物表面＜300μm的涂層，無法開展孔隙率與孔隙截距的評價(jià)。在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金屬外科植入物等離子噴涂純鈦涂層 第1部分：通用要求》條款4.3要求對于平均厚度＞300μm的涂層開展孔隙率與孔隙截距的評價(jià)。多孔涂層平均厚度500～1500μm，孔隙率在30%～70%，平均孔隙截距100～1000μm，該指標(biāo)要求被行業(yè)內(nèi)較多企業(yè)廣泛參考使用。鈦涂層表面噴涂HA的復(fù)合涂層可以按整體復(fù)合涂層進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)的測試與評價(jià)。

外科植入物多孔涂層是指外科植入物表面具有孔隙區(qū)域的多孔結(jié)構(gòu)，用于新生骨組織的長入以提高植入物的穩(wěn)定性。多孔結(jié)構(gòu)最重要的功能是實(shí)現(xiàn)了植入物的生物內(nèi)固定，避免了使用骨水泥進(jìn)行物理內(nèi)固定的原始方式，減小了對人體的傷害。為提高手術(shù)成功率，使植入物假體能有效地結(jié)合人體新生骨組織，實(shí)現(xiàn)新生骨組織細(xì)胞長入假體表面多孔結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)剛性骨結(jié)合，迫切地需要對多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測試及參數(shù)表征，建立統(tǒng)一的測試研究表征方法，實(shí)現(xiàn)對不同類型多孔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的量化分析。

1.多孔結(jié)構(gòu)植入物在骨科中的應(yīng)用

目前市場上植入物基體材料主要有鍛造鈦合金、鍛造鈷鉻鉬合金，涂層材料主要有純鈦粉末、鈦合金粉末、純鈦珠、羥基磷灰石等材料，制造方式主要有等離子真空或大氣噴涂純鈦粉涂層，真空燒結(jié)鈦粉涂層，真空燒結(jié)純鈦珠涂層，以及等離子真空或大氣噴涂HA涂層等方式。

這種多孔結(jié)構(gòu)的植入物在骨科中的應(yīng)用較多，通常應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)假體、膝關(guān)節(jié)假體的置換手術(shù)中，髖關(guān)節(jié)假體置換術(shù)中多孔結(jié)構(gòu)多用于股骨柄的股骨近端，股骨髓腔新生骨組織可以長入多孔結(jié)構(gòu)中以實(shí)現(xiàn)股骨柄假體的生物內(nèi)固定，提高植入假體的存活率和有效性。髖關(guān)節(jié)假體置換術(shù)中的另一個(gè)應(yīng)用是多孔結(jié)構(gòu)的髖臼外杯，髖臼外杯表面制造一層有效的多孔結(jié)構(gòu)，可以將假體牢固地固定在骨盆結(jié)構(gòu)中，使得髖臼假體和人體骨盆融為一體以實(shí)現(xiàn)生物內(nèi)固定，為髖臼內(nèi)襯和股骨頭的植入提供充足有效的物理空間，將股骨柄、股骨頭、髖臼內(nèi)襯、髖臼外杯四個(gè)部件通過股骨頭和髖臼內(nèi)襯的球面結(jié)構(gòu)裝配在一起，以實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)假體的外展、內(nèi)收、屈曲、伸展、內(nèi)旋、外旋等基本的生理運(yùn)動。膝關(guān)節(jié)假體置換術(shù)中多孔結(jié)構(gòu)多用于股骨髁的內(nèi)表面，股骨髁的外表面為光滑的關(guān)節(jié)面，表面粗糙度＜0.5μm，內(nèi)表面可以制造一層多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)可以為新生的骨組織提供長入的物理空間，以實(shí)現(xiàn)股骨髁的生物內(nèi)固定。這種固定方式避免了使用具有兩個(gè)內(nèi)凸的股骨髁，避免了在股骨端開鑿兩個(gè)對應(yīng)的固定孔，避免了對股骨端更多的人為破壞，保護(hù)了原有的骨組織，是一種值得提倡的固定方式。膝關(guān)節(jié)假體置換術(shù)中的另一個(gè)應(yīng)用是多孔結(jié)構(gòu)的脛骨托，脛骨托的上表面是與半月板具有吻合裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)形狀，其下表面可以制造一層多孔結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)脛骨髓腔中新生骨組織的長入，實(shí)現(xiàn)脛骨托的生物內(nèi)固定。膝關(guān)節(jié)假體置換術(shù)中脛骨托和股骨髁通過半月板連接在一起，以實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈曲、伸展等生理運(yùn)動。

2.多孔涂層體視學(xué)要求及測試條件

目前我國測試多孔涂層結(jié)構(gòu)體視學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)是YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》[1]，該方法詳細(xì)規(guī)定了多孔涂層結(jié)構(gòu)的平均厚度、平均孔隙率和平均孔隙截距的測試步驟及適用范圍，其5.6條款規(guī)定：本方法不適用于陶瓷涂層，因?yàn)樵撏繉訜o法使用金相制備技術(shù)制備出準(zhǔn)確的涂層橫截面。因此對于植入物表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無法開展多孔結(jié)構(gòu)的測試與評價(jià)。該標(biāo)準(zhǔn)的5.7條款規(guī)定：本試驗(yàn)方法不適用于表征厚度＜300μm的涂層，因此對于＜300μm的涂層，只能開展涂層平均厚度的測試，而不能開展平均孔隙率和平均孔隙截距的測試。本條款屬于試驗(yàn)方法的應(yīng)用性限制，即對于厚度＜300μm的涂層不適用該方法開展測試工作，這兩條排他的限制性條款是在實(shí)際工作中容易被各方忽略和忽視的，應(yīng)當(dāng)引起各方對該條款的重視和應(yīng)用。這種限制性條款的應(yīng)用不僅出現(xiàn)在YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》的條款中，在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金屬外科植入物等離子噴涂純鈦涂層 第1部分：通用要求》[2]的條款4.3中也明確提出對于平均厚度＞300μm的涂層，應(yīng)按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》對涂層的平均孔隙率和平均孔隙截距進(jìn)行測定。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)是通用要求，一個(gè)是試驗(yàn)方法，其指向性是一致的，適用范圍均指向了平均厚度＞300μm的涂層才能開展平均孔隙率和平均孔隙截距的測試工作。有了這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的通用要求和試驗(yàn)方法，測試評價(jià)工作就有了比較充分的依據(jù)，能夠嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測。

測試對象以及測試方法明確了以后，還有一些問題值得思考。目前我國對于多孔涂層體視學(xué)的評價(jià)雖然有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》作為指導(dǎo)，但是對于體視學(xué)指標(biāo)中多孔涂層的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距還沒有明確的指導(dǎo)建議及要求，并且申請上市產(chǎn)品體視學(xué)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)良莠不齊。國外相關(guān)注冊文件指出，多孔涂層平均厚度500～1500μm，平均孔隙率30%～70%，平均孔隙截距100～1000μm，該指標(biāo)要求被行業(yè)內(nèi)較多企業(yè)廣泛參考使用。多孔涂層體視學(xué)性能指標(biāo)對于新生骨組織的長入至關(guān)重要，直接關(guān)系到植入物的安全性和有效性，甚至關(guān)乎手術(shù)成敗。所以對于多孔涂層體視學(xué)性能指標(biāo)要求和測試工作應(yīng)當(dāng)給予足夠多的重視。

3.多孔涂層體視學(xué)性能指標(biāo)分析

3.1 等離子噴涂純鈦粉涂層

圖1.等離子噴涂純鈦粉涂層厚度、孔隙率、孔隙截距 （注：1a涂層厚度；1b涂層孔隙截距；1c涂層孔隙；1d涂層孔隙二值化）

圖2.燒結(jié)鈦珠涂層厚度、孔隙率、孔隙截距（注：2a涂層厚度；2b涂層孔隙截距；2c涂層孔隙；2d涂層孔隙二值化）

圖3.鈦涂層表面噴涂HA的復(fù)合涂層

如圖1中所示，平均涂層厚度測試依據(jù)YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層 第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》9.1條款，測量間距為100μm，每個(gè)視場測量20個(gè)厚度值，5個(gè)視場共測量100個(gè)厚度值，計(jì)算5個(gè)視場平均值為541.2μm。孔隙率測試依據(jù)YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層 第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》9.2.7條款：可采用適合的數(shù)字圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行測量，可以將每個(gè)像素點(diǎn)認(rèn)為是點(diǎn)陣中規(guī)則分布的點(diǎn)，每個(gè)視場的孔隙體積百分比應(yīng)為存在于孔隙區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)量和視場圖像中像素點(diǎn)總數(shù)的比值，像素點(diǎn)數(shù)等價(jià)轉(zhuǎn)化為孔隙區(qū)域面積，面積比值和像素點(diǎn)比值是相等的，其比值即為孔隙率。以基體界面為下邊界，平均涂層厚度值為上邊界，剪切捕獲矩形區(qū)域，將矩形區(qū)域內(nèi)黑白兩相二值化為白綠兩相，計(jì)算綠色孔隙部分面積占矩形面積的比例，即為孔隙率，計(jì)算5個(gè)視場平均值，即為平均孔隙率，該產(chǎn)品平均孔隙率為30.9%。平均孔隙截距測試依據(jù)YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層 第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》9.3.7條款：將一組均勻分布的平行網(wǎng)格線疊加在與基體界面平行的視場上，平行線間距不超過100μm，本次測試平行線間距設(shè)置為100μm；該組線的高度值為平均涂層厚度數(shù)值向上取整數(shù)增加一個(gè)平行線間距。本涂層平均厚度541.2μm，則平行線高度值向上取整數(shù)增加一個(gè)平行線間距后為600μm，測量6個(gè)間隔的7條平行線上的孔隙間距并計(jì)算平均值，該產(chǎn)品的平均孔隙截距117.8μm。

3.2 燒結(jié)鈦珠涂層

如圖2中所示，燒結(jié)鈦珠多孔涂層平均厚度、孔隙率、平均孔隙截距依據(jù)YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層 第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》進(jìn)行測試，該燒結(jié)鈦珠多孔涂層產(chǎn)品平均厚度693.1μm，平均孔隙率為41.5%，平均孔隙截距181.5μm。

3.3 鈦涂層表面噴涂HA的復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)

如圖3所示，鈦涂層表面噴涂HA的復(fù)合涂層中，無法分辨HA涂層，但是純鈦涂層與基體界面清晰可見。HA層很薄，未形成孔狀結(jié)構(gòu)，反而會堵塞部分已經(jīng)形成的純鈦層孔隙，降低了原有孔隙，雙涂層僅能按整體復(fù)合涂層進(jìn)行測試。HA層與鈦涂層功能不同，HA用于骨誘導(dǎo)和骨吸收，HA層不能像鈦涂層那樣提供物理附著空間。

4.小結(jié)

多孔涂層結(jié)構(gòu)體視學(xué)性能可以按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂層第14部分 多孔涂層體視學(xué)評價(jià)方法》進(jìn)行測試，可以較好地評價(jià)適用涂層的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距。但該方法不適用于陶瓷涂層，因?yàn)樵撏繉訜o法使用金相制備技術(shù)制備出準(zhǔn)確的涂層橫截面。所以對于植入物基體表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無法開展多孔結(jié)構(gòu)的測試與評價(jià)；同時(shí)，該方法不適用于表征厚度＜300μm的涂層，因此對于＜300μm的涂層，無法開展孔隙率與孔隙截距的評價(jià)。

在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金屬外科植入物等離子噴涂純鈦涂層 第1部分：通用要求》的條款4.3要求對于平均厚度＞300μm的涂層開展孔隙率與孔隙截距的評價(jià)。

多孔涂層平均厚度500～1500μm，孔隙率30%～70%，孔隙截距100～1000μm，該指標(biāo)要求被行業(yè)內(nèi)較多企業(yè)廣泛參考使用。鈦涂層表面噴涂HA的復(fù)合涂層僅能按整體復(fù)合涂層進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)測試與評價(jià)。