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：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(píng)價(jià)方法》評(píng)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(píng)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(wú)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(duì)于植入物基體表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無(wú)法開展多孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試與評(píng)價(jià)；同時(shí)，該方法不適用于表征厚度＜300μm的涂層，對(duì)于植入物表面＜300μm的涂層，無(wú)法開展孔隙率與孔隙截距的評(píng)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(duì)于平均厚度＞300μm的涂層開展孔隙率與孔隙截距的評(píng)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(cè)試與評(píng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試及參數(shù)表征，建立統(tǒng)一的測(cè)試研究表征方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)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(guò)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(dòng)。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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的固定孔，避免了對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(dòng)。

2.多孔涂層體視學(xué)要求及測(cè)試條件

目前我國(guó)測(cè)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(píng)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(cè)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(wú)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(duì)于植入物表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無(wú)法開展多孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試與評(píng)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(duì)于＜300μm的涂層，只能開展涂層平均厚度的測(cè)試，而不能開展平均孔隙率和平均孔隙截距的測(cè)試。本條款屬于試驗(yàn)方法的應(yīng)用性限制，即對(duì)于厚度＜300μm的涂層不適用該方法開展測(cè)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(duì)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(píng)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(duì)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(píng)價(jià)方法》對(duì)涂層的平均孔隙率和平均孔隙截距進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)試評(píng)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(cè)。

測(cè)試對(duì)象以及測(cè)試方法明確了以后，還有一些問題值得思考。目前我國(guó)對(duì)于多孔涂層體視學(xué)的評(píng)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(píng)價(jià)方法》作為指導(dǎo)，但是對(duì)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(qǐng)上市產(chǎn)品體視學(xué)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)良莠不齊。國(guó)外相關(guān)注冊(cè)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(duì)于新生骨組織的長(zhǎng)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(duì)于多孔涂層體視學(xué)性能指標(biāo)要求和測(cè)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(cè)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(píng)價(jià)方法》9.1條款，測(cè)量間距為100μm，每個(gè)視場(chǎng)測(cè)量20個(gè)厚度值，5個(gè)視場(chǎng)共測(cè)量100個(gè)厚度值，計(jì)算5個(gè)視場(chǎng)平均值為541.2μm。孔隙率測(cè)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(píng)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(píng)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(chǎng)上，平行線間距不超過(guò)100μm，本次測(cè)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(cè)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(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測(cè)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(wú)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(huì)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(cè)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(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測(cè)試，可以較好地評(píng)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(wú)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(duì)于植入物基體表面等離子噴涂羥基磷灰石涂層的樣品無(wú)法開展多孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試與評(píng)價(jià)；同時(shí)，該方法不適用于表征厚度＜300μm的涂層，因此對(duì)于＜300μm的涂層，無(wú)法開展孔隙率與孔隙截距的評(píng)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(duì)于平均厚度＞300μm的涂層開展孔隙率與孔隙截距的評(píng)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(cè)試與評(píng)價(jià)。