外科植入物鈦及鈦合金陽(yáng)極氧化雜質(zhì)元素分析方法及結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

朱進(jìn)清 李沅 張晨 付瑞芝 張路 董雙鵬 馬金竹 國(guó)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： 鈦及鈦合金通過(guò)陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面改性，可以提高基體的物理性能及生物相容性。但是若陽(yáng)極氧化工藝引入與基體不一致的雜質(zhì)元素，生物安全性能則存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。文章基于掃描電鏡及能譜儀，依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立一種分析鈦及鈦合金表面陽(yáng)極氧化層雜質(zhì)元素的分析方法。收集國(guó)內(nèi)外不同生產(chǎn)商提供的約200件試驗(yàn)樣品，對(duì)發(fā)現(xiàn)的雜質(zhì)元素種類(lèi)及其數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并分析雜質(zhì)元素產(chǎn)生的可能原因，有助于促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)水平的進(jìn)步。

近年來(lái)，越來(lái)越多的生產(chǎn)商將外科植入物進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以改善產(chǎn)品的性能。常見(jiàn)的陽(yáng)極氧化產(chǎn)品類(lèi)型有：脊柱類(lèi)及創(chuàng)傷類(lèi)，少量關(guān)節(jié)類(lèi)，也可見(jiàn)3D打印類(lèi)。鈦及鈦合金的陽(yáng)極氧化就是用鈦?zhàn)麝?yáng)極，用不銹鋼或鋁作陰極，以水溶液、非水溶液或熔鹽作電解液，通過(guò)外加電場(chǎng)的作用，以特定的工藝條件在其表面生成氧化層的過(guò)程。鈦及鈦合金表面陽(yáng)極氧化一般分為兩類(lèi)：一是黑灰色陽(yáng)極氧化，采用特殊的電解液，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在鈦及鈦合金表面形成一層致密的氧化層，視覺(jué)效果為黑灰色?？梢愿纳苹w的性能，例如：耐磨性能、耐腐蝕性、提高表面硬度、疲勞性能等[1,2]；二是著色陽(yáng)極氧化，旨在辨識(shí)作用而不以提高產(chǎn)品力學(xué)性能為目的的一種陽(yáng)極氧化方式。其主要成分是二氧化鈦，是一層透明的干涉膜，可以強(qiáng)烈地反射和折射光線，根據(jù)膜層厚度的不同呈現(xiàn)不同的顏色，非常有利于外科術(shù)前準(zhǔn)備及縮短手術(shù)時(shí)間。有文獻(xiàn)報(bào)道，鈦及鈦合金表面陽(yáng)極氧化可以提高生物相容性[3]；抑制有害元素釩和鋁的析出，降低細(xì)胞毒性[4,5]。

但是外科植入物長(zhǎng)期植入人體體內(nèi)，表面陽(yáng)極氧化層若含有雜質(zhì)元素，生物安全性能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。本文基于掃描電鏡及能譜儀，依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立一種分析鈦及鈦合金表面陽(yáng)極氧化層雜質(zhì)元素的分析方法，有助于國(guó)家監(jiān)督部門(mén)監(jiān)管，及企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制。收集不同生產(chǎn)商提供的約200件試驗(yàn)樣品，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的雜質(zhì)元素種類(lèi)及其數(shù)量，并結(jié)合生產(chǎn)流程分析雜質(zhì)元素產(chǎn)生的可能原因，有助于推動(dòng)該領(lǐng)域技術(shù)水平的進(jìn)步。

1.儀器設(shè)備

①掃描電鏡與能譜儀；②膜厚測(cè)量?jī)x：型號(hào)F40優(yōu)尼康科技有限公司。

2.試驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

儀器準(zhǔn)備：在進(jìn)行校準(zhǔn)和分析之前，首先檢查束流穩(wěn)定性、探測(cè)器穩(wěn)定性（見(jiàn)GB/T 20726）；檢查或重新校準(zhǔn)探測(cè)器的能量標(biāo)尺；測(cè)量探測(cè)器的分辨率（見(jiàn)GB/T 20726）。

試樣準(zhǔn)備：試樣應(yīng)平坦、無(wú)水、致密、穩(wěn)定和導(dǎo)電良好的試樣。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件依據(jù)GB/T 17359-2012，ISO 22309:2006《微束分析 能譜法定量分析》。

2.2.1 加速電壓設(shè)定

燈絲應(yīng)有足夠的時(shí)間達(dá)到合適的穩(wěn)定度，加速電壓通常在10～25kV選擇，原則如下：①為了有效激發(fā)獲得高峰值強(qiáng)度，過(guò)壓比至少達(dá)到2例如要激發(fā)Cu的K線系譜線時(shí)，推薦的最小加速電壓為20kV。②為了分析低能線，例如1～3keV，用低加速電壓能夠減小吸收校正和可能產(chǎn)生的誤差。③為了準(zhǔn)確分析，基本要求是分析特征應(yīng)該全部包含在分析體積內(nèi)。估算加速電壓對(duì)分析區(qū)域和分析深度的影響，見(jiàn)ISO 14594，可以按該標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的加速電壓。

2.2.2 試樣在電子束下的正確定位

①本次實(shí)驗(yàn)中使用的能譜儀，需要試樣表面定位在光學(xué)顯微鏡的焦面上，并且與儀器電子束成90°的角度。試樣定位或者意外傾斜誤差，會(huì)降低分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。②在掃描電鏡中，試樣高度是由相關(guān)EDS廠家選擇或者給定的工作距離確定。試樣傾斜應(yīng)設(shè)置為零。

2.2.3 束流選擇

為了從試樣中獲得整個(gè)譜峰的足夠高的計(jì)數(shù)率，束流應(yīng)該足夠大。但束流也不能太大，以免產(chǎn)生電子學(xué)失真或者在譜圖中產(chǎn)生純?cè)氐暮头濉Ｔ诳赡艿那闆r下計(jì)數(shù)率至少在2000～3000計(jì)數(shù)/s，相應(yīng)的死時(shí)間為20%～30%，最強(qiáng)峰計(jì)數(shù)約為50000，或者譜圖總計(jì)數(shù)為250000，通常對(duì)應(yīng)于約100s的活時(shí)間。

3.峰的識(shí)別

能譜廠商提供自動(dòng)譜峰鑒別軟件，一些軟件能處理重疊峰。然而，其性能依賴于峰形構(gòu)成的準(zhǔn)確度，因此，同一個(gè)試樣對(duì)不同的軟件、電路和探測(cè)器組合能產(chǎn)生不同的結(jié)果。仔細(xì)考慮可能的峰重疊，見(jiàn)GB/T 17359-2012，ISO 22309:2006中附錄B。

分析每個(gè)元素的濃度時(shí)，應(yīng)該選擇合適的譜峰，例如，加速電壓20kV時(shí)，合適的定量分析線選擇如下：Z=11～30時(shí)，選擇K線；Z=29～71時(shí)，選擇L線；Z=72～92時(shí)，選擇M線。鑒別的譜峰應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)意義，即，峰強(qiáng)度>[N(b)+3[N(b)]1/2]，N(b)為背底強(qiáng)度的平均值。對(duì)一個(gè)特別感興趣的元素弱峰，應(yīng)該較長(zhǎng)時(shí)間采集譜圖，檢查該譜峰是否具有統(tǒng)計(jì)意義。

當(dāng)兩個(gè)或者更多元素特征譜峰彼此之間靠得足夠近時(shí)，譜峰鑒別會(huì)產(chǎn)生不確定性。兩個(gè)相鄰譜峰之間分開(kāi)的能量大小，依賴于探測(cè)器的分辨率和校正準(zhǔn)確度。但典型的臨界值為30eV；分離的譜峰>30eV時(shí)，用自動(dòng)和手動(dòng)鑒別都不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

4.結(jié)果分析

收到企業(yè)送檢樣品總共162批次，其中黑灰色陽(yáng)極氧化樣品66批次，彩色陽(yáng)極氧化樣品96批次。表面經(jīng)掃描電鏡及能譜儀分析：其中，黑灰色陽(yáng)極氧化樣品，所包含元素除基體元素外，還可包含少量的Na、Si、P、S等元素；彩色陽(yáng)極氧化樣品，所包含元素除基體元素外，應(yīng)無(wú)與基體材料不一致的其他元素。

黑灰色陽(yáng)極氧化樣品具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。其中，未見(jiàn)雜質(zhì)元素的樣品11批次，占比16.67%?？梢?jiàn)雜質(zhì)元素包含Na、Si、P、S、K、Mg及Ca，占比情況見(jiàn)圖1。

圖1. 黑灰色陽(yáng)極氧化樣品檢測(cè)結(jié)果

彩色陽(yáng)極氧化樣品具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。其中，未見(jiàn)雜質(zhì)元素的樣品76批次，占比79.17%?？梢?jiàn)雜質(zhì)元素包含Na、Si、P、S及F，占比情況見(jiàn)圖2。

圖2. 彩色陽(yáng)極氧化樣品檢測(cè)結(jié)果

陽(yáng)極氧化工藝的實(shí)驗(yàn)步驟一般包括：試樣打磨拋光→水洗→堿洗除油→水洗→酸洗→水洗→陽(yáng)極氧化→水洗→漂洗→干燥?！霸嚇哟蚰伖狻辈襟E，一般地用二氧化硅噴砂或者SiC水磨砂紙打磨[6]；“堿洗除油”步驟一般用NaOH溶液；“酸洗”步驟一般用HF處理。鈦合金陽(yáng)極氧化的電解液一般有三種：酸性、堿性和中性。酸性電解液的成分有和H3PO4[1,2]；堿性電解液的成分為NaOH；中性電解液的成分有 (NH4)2SO4、Na2SO4、Na3PO4、NaAIO2等[7-9]。

有文獻(xiàn)報(bào)道，陽(yáng)極氧化膜含雜質(zhì)的多少及種類(lèi)與槽液的成分有關(guān)[10]。陽(yáng)極氧化液為強(qiáng)酸或強(qiáng)堿則雜質(zhì)元素混入氧化膜的概率極微；相反地，若使用中性或弱酸性陽(yáng)極氧化液，雜質(zhì)元素混入氧化膜概率稍多一點(diǎn)。分析工藝其P、S元素主要來(lái)自電解液配方（參見(jiàn)電解液成分）。含F(xiàn)元素可能是因?yàn)殛?yáng)極氧化預(yù)處理使用了HF。表面含Si元素產(chǎn)品占產(chǎn)品總數(shù)25%，進(jìn)一步分析工藝，可能來(lái)自陽(yáng)極氧化前的噴砂過(guò)程（噴砂料為二氧化硅），或者預(yù)處理時(shí)使用了SiC水磨砂紙打磨試樣表面。表面雜質(zhì)中的Na元素，有可能自電解液中的Na離子，或者是堿洗除油使用了NaOH；此外，Na離子較容易通過(guò)后期清洗完全清除，也可能是清洗時(shí)間不夠長(zhǎng)或者清洗方式不正確[7-9]。

按照陽(yáng)極氧化產(chǎn)品顏色種類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。本中心收集數(shù)家企業(yè)陽(yáng)極氧化產(chǎn)品，使用膜厚測(cè)量?jī)x測(cè)量了表1所列四種顏色膜層厚度，由薄到厚依次是：藍(lán)色→黃色→紫色→綠色。該膜厚測(cè)量結(jié)果與光干涉的原理一致。由表1可見(jiàn)，4種顏色的陽(yáng)極氧化產(chǎn)品雜質(zhì)元素都包含F(xiàn)元素，藍(lán)色和黃色陽(yáng)極氧化產(chǎn)品雜質(zhì)元素包含Si元素。黃色陽(yáng)極氧化產(chǎn)品雜質(zhì)元素種類(lèi)最多，數(shù)量占比也最多。需要說(shuō)明的是，表1所列數(shù)據(jù)僅代表目前四種顏色產(chǎn)品整體質(zhì)量水平，而且隨著樣本量的增加及技術(shù)水平的進(jìn)步雜質(zhì)元素種類(lèi)及其占比有可能會(huì)發(fā)生變化。本中心擬建立數(shù)據(jù)庫(kù)，匯總數(shù)千批產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果，網(wǎng)羅國(guó)內(nèi)外幾十家企業(yè)該工藝可能出現(xiàn)的雜質(zhì)元素種類(lèi)，并統(tǒng)計(jì)了每種雜質(zhì)元素占比情況。

表1. 不同顏色樣品雜質(zhì)元素分析

5.小結(jié)

本文建立了一種分析鈦及鈦合金陽(yáng)極氧化層雜質(zhì)元素的方法，該方法樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單，可以批量檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜質(zhì)元素的定性及半定量分析。為了保證分析的有效性及準(zhǔn)確性：①加速電壓設(shè)定：既要有效激發(fā)獲得高峰值強(qiáng)度，又能夠分析低能線，并且要求是分析特征應(yīng)該全部包含在分析體積內(nèi)。②試樣在電子束下的正確定位：與儀器電子束成90°的角度，試樣高度由掃描電鏡廠家規(guī)定，本試驗(yàn)室使用電鏡最佳高度是8mm。③束流選擇：須保證計(jì)數(shù)率和死時(shí)間在規(guī)定的范圍內(nèi)。

本文所述分析方法，一方面有助于國(guó)家監(jiān)督部門(mén)監(jiān)管，企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制；另一方面，收集一定量的樣品，基于該方法在同等試驗(yàn)條件下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。匯總試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的雜質(zhì)元素種類(lèi)及其數(shù)量，并結(jié)合生產(chǎn)流程分析雜質(zhì)元素產(chǎn)生的可能原因，有助于該領(lǐng)域技術(shù)水平的進(jìn)步。