外科植入物多孔涂层体视学结构性能测试研究

国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

内容提要：多孔涂层结构体视学性能可以按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》评价适用涂层的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距；个性化3D打印医疗器械产品也可参考该方法评价3D打印多孔结构的平均孔隙率和平均孔隙截距。但该方法不适用于陶瓷涂层，因为该涂层无法使用金相制备技术制备出准确的涂层横截面，所以对于植入物基体表面等离子喷涂羟基磷灰石涂层的样品无法开展多孔结构的测试与评价；同时，该方法不适用于表征厚度＜300µm的涂层，对于植入物表面＜300µm的涂层，无法开展孔隙率与孔隙截距的评价。在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金属外科植入物等离子喷涂纯钛涂层 第1部分：通用要求》条款4.3要求对于平均厚度＞300μm的涂层开展孔隙率与孔隙截距的评价。多孔涂层平均厚度500～1500μm，孔隙率在30%～70%，平均孔隙截距100～1000μm，该指标要求被行业内较多企业广泛参考使用。钛涂层表面喷涂HA的复合涂层可以按整体复合涂层进行多孔结构的测试与评价。

外科植入物多孔涂层是指外科植入物表面具有孔隙区域的多孔结构，用于新生骨组织的长入以提高植入物的稳定性。多孔结构最重要的功能是实现了植入物的生物内固定，避免了使用骨水泥进行物理内固定的原始方式，减小了对人体的伤害。为提高手术成功率，使植入物假体能有效地结合人体新生骨组织，实现新生骨组织细胞长入假体表面多孔结构中实现刚性骨结合，迫切地需要对多孔结构进行性能测试及参数表征，建立统一的测试研究表征方法，实现对不同类型多孔结构关键参数的量化分析。

1.多孔结构植入物在骨科中的应用

目前市场上植入物基体材料主要有锻造钛合金、锻造钴铬钼合金，涂层材料主要有纯钛粉末、钛合金粉末、纯钛珠、羟基磷灰石等材料，制造方式主要有等离子真空或大气喷涂纯钛粉涂层，真空烧结钛粉涂层，真空烧结纯钛珠涂层，以及等离子真空或大气喷涂HA涂层等方式。

这种多孔结构的植入物在骨科中的应用较多，通常应用于髋关节假体、膝关节假体的置换手术中，髋关节假体置换术中多孔结构多用于股骨柄的股骨近端，股骨髓腔新生骨组织可以长入多孔结构中以实现股骨柄假体的生物内固定，提高植入假体的存活率和有效性。髋关节假体置换术中的另一个应用是多孔结构的髋臼外杯，髋臼外杯表面制造一层有效的多孔结构，可以将假体牢固地固定在骨盆结构中，使得髋臼假体和人体骨盆融为一体以实现生物内固定，为髋臼内衬和股骨头的植入提供充足有效的物理空间，将股骨柄、股骨头、髋臼内衬、髋臼外杯四个部件通过股骨头和髋臼内衬的球面结构装配在一起，以实现髋关节假体的外展、内收、屈曲、伸展、内旋、外旋等基本的生理运动。膝关节假体置换术中多孔结构多用于股骨髁的内表面，股骨髁的外表面为光滑的关节面，表面粗糙度＜0.5μm，内表面可以制造一层多孔结构，该多孔结构可以为新生的骨组织提供长入的物理空间，以实现股骨髁的生物内固定。这种固定方式避免了使用具有两个内凸的股骨髁，避免了在股骨端开凿两个对应的固定孔，避免了对股骨端更多的人为破坏，保护了原有的骨组织，是一种值得提倡的固定方式。膝关节假体置换术中的另一个应用是多孔结构的胫骨托，胫骨托的上表面是与半月板具有吻合装配关系的结构形状，其下表面可以制造一层多孔结构，以实现胫骨髓腔中新生骨组织的长入，实现胫骨托的生物内固定。膝关节假体置换术中胫骨托和股骨髁通过半月板连接在一起，以实现膝关节的屈曲、伸展等生理运动。

2.多孔涂层体视学要求及测试条件

目前我国测试多孔涂层结构体视学性能的标准是YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》[1]，该方法详细规定了多孔涂层结构的平均厚度、平均孔隙率和平均孔隙截距的测试步骤及适用范围，其5.6条款规定：本方法不适用于陶瓷涂层，因为该涂层无法使用金相制备技术制备出准确的涂层横截面。因此对于植入物表面等离子喷涂羟基磷灰石涂层的样品无法开展多孔结构的测试与评价。该标准的5.7条款规定：本试验方法不适用于表征厚度＜300µm的涂层，因此对于＜300µm的涂层，只能开展涂层平均厚度的测试，而不能开展平均孔隙率和平均孔隙截距的测试。本条款属于试验方法的应用性限制，即对于厚度＜300µm的涂层不适用该方法开展测试工作，这两条排他的限制性条款是在实际工作中容易被各方忽略和忽视的，应当引起各方对该条款的重视和应用。这种限制性条款的应用不仅出现在YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》的条款中，在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金属外科植入物等离子喷涂纯钛涂层 第1部分：通用要求》[2]的条款4.3中也明确提出对于平均厚度＞300μm的涂层，应按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》对涂层的平均孔隙率和平均孔隙截距进行测定。这两个标准一个是通用要求，一个是试验方法，其指向性是一致的，适用范围均指向了平均厚度＞300μm的涂层才能开展平均孔隙率和平均孔隙截距的测试工作。有了这两个标准中的通用要求和试验方法，测试评价工作就有了比较充分的依据，能够严格按照标准要求进行检测。

测试对象以及测试方法明确了以后，还有一些问题值得思考。目前我国对于多孔涂层体视学的评价虽然有行业标准YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》作为指导，但是对于体视学指标中多孔涂层的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距还没有明确的指导建议及要求，并且申请上市产品体视学结构性能指标良莠不齐。国外相关注册文件指出，多孔涂层平均厚度500～1500μm，平均孔隙率30%～70%，平均孔隙截距100～1000μm，该指标要求被行业内较多企业广泛参考使用。多孔涂层体视学性能指标对于新生骨组织的长入至关重要，直接关系到植入物的安全性和有效性，甚至关乎手术成败。所以对于多孔涂层体视学性能指标要求和测试工作应当给予足够多的重视。

3.多孔涂层体视学性能指标分析

3.1 等离子喷涂纯钛粉涂层

图1.等离子喷涂纯钛粉涂层厚度、孔隙率、孔隙截距 （注：1a涂层厚度；1b涂层孔隙截距；1c涂层孔隙；1d涂层孔隙二值化）

图2.烧结钛珠涂层厚度、孔隙率、孔隙截距（注：2a涂层厚度；2b涂层孔隙截距；2c涂层孔隙；2d涂层孔隙二值化）

图3.钛涂层表面喷涂HA的复合涂层

如图1中所示，平均涂层厚度测试依据YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层 第14部分 多孔涂层体视学评价方法》9.1条款，测量间距为100μm，每个视场测量20个厚度值，5个视场共测量100个厚度值，计算5个视场平均值为541.2μm。孔隙率测试依据YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层 第14部分 多孔涂层体视学评价方法》9.2.7条款：可采用适合的数字图像分析系统进行测量，可以将每个像素点认为是点阵中规则分布的点，每个视场的孔隙体积百分比应为存在于孔隙区域的像素点数量和视场图像中像素点总数的比值，像素点数等价转化为孔隙区域面积，面积比值和像素点比值是相等的，其比值即为孔隙率。以基体界面为下边界，平均涂层厚度值为上边界，剪切捕获矩形区域，将矩形区域内黑白两相二值化为白绿两相，计算绿色孔隙部分面积占矩形面积的比例，即为孔隙率，计算5个视场平均值，即为平均孔隙率，该产品平均孔隙率为30.9%。平均孔隙截距测试依据YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层 第14部分 多孔涂层体视学评价方法》9.3.7条款：将一组均匀分布的平行网格线叠加在与基体界面平行的视场上，平行线间距不超过100μm，本次测试平行线间距设置为100μm；该组线的高度值为平均涂层厚度数值向上取整数增加一个平行线间距。本涂层平均厚度541.2μm，则平行线高度值向上取整数增加一个平行线间距后为600μm，测量6个间隔的7条平行线上的孔隙间距并计算平均值，该产品的平均孔隙截距117.8μm。

3.2 烧结钛珠涂层

如图2中所示，烧结钛珠多孔涂层平均厚度、孔隙率、平均孔隙截距依据YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层 第14部分 多孔涂层体视学评价方法》进行测试，该烧结钛珠多孔涂层产品平均厚度693.1μm，平均孔隙率为41.5%，平均孔隙截距181.5μm。

3.3 钛涂层表面喷涂HA的复合涂层结构

如图3所示，钛涂层表面喷涂HA的复合涂层中，无法分辨HA涂层，但是纯钛涂层与基体界面清晰可见。HA层很薄，未形成孔状结构，反而会堵塞部分已经形成的纯钛层孔隙，降低了原有孔隙，双涂层仅能按整体复合涂层进行测试。HA层与钛涂层功能不同，HA用于骨诱导和骨吸收，HA层不能像钛涂层那样提供物理附着空间。

4.小结

多孔涂层结构体视学性能可以按照YY/T 0988.14-2016《外科植入物涂层第14部分 多孔涂层体视学评价方法》进行测试，可以较好地评价适用涂层的平均厚度、平均孔隙率、平均孔隙截距。但该方法不适用于陶瓷涂层，因为该涂层无法使用金相制备技术制备出准确的涂层横截面。所以对于植入物基体表面等离子喷涂羟基磷灰石涂层的样品无法开展多孔结构的测试与评价；同时，该方法不适用于表征厚度＜300µm的涂层，因此对于＜300µm的涂层，无法开展孔隙率与孔隙截距的评价。

在ISO 13179-1:2014《外科植入物 金属外科植入物等离子喷涂纯钛涂层 第1部分：通用要求》的条款4.3要求对于平均厚度＞300μm的涂层开展孔隙率与孔隙截距的评价。

多孔涂层平均厚度500～1500μm，孔隙率30%～70%，孔隙截距100～1000μm，该指标要求被行业内较多企业广泛参考使用。钛涂层表面喷涂HA的复合涂层仅能按整体复合涂层进行多孔结构测试与评价。