外科植入物钛及钛合金阳极氧化杂质元素分析方法及结果统计分析

朱进清 李沅 张晨 付瑞芝 张路 董双鹏 马金竹 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： 钛及钛合金通过阳极氧化进行表面改性，可以提高基体的物理性能及生物相容性。但是若阳极氧化工艺引入与基体不一致的杂质元素，生物安全性能则存在一定的风险。文章基于扫描电镜及能谱仪，依据相关的国家标准和行业标准，建立一种分析钛及钛合金表面阳极氧化层杂质元素的分析方法。收集国内外不同生产商提供的约200件试验样品，对发现的杂质元素种类及其数量进行统计分析，并分析杂质元素产生的可能原因，有助于促进该领域技术水平的进步。

近年来，越来越多的生产商将外科植入物进行阳极氧化，以改善产品的性能。常见的阳极氧化产品类型有：脊柱类及创伤类，少量关节类，也可见3D打印类。钛及钛合金的阳极氧化就是用钛作阳极，用不锈钢或铝作阴极，以水溶液、非水溶液或熔盐作电解液，通过外加电场的作用，以特定的工艺条件在其表面生成氧化层的过程。钛及钛合金表面阳极氧化一般分为两类：一是黑灰色阳极氧化，采用特殊的电解液，通过电化学反应在钛及钛合金表面形成一层致密的氧化层，视觉效果为黑灰色。可以改善基体的性能，例如：耐磨性能、耐腐蚀性、提高表面硬度、疲劳性能等[1,2]；二是着色阳极氧化，旨在辨识作用而不以提高产品力学性能为目的的一种阳极氧化方式。其主要成分是二氧化钛，是一层透明的干涉膜，可以强烈地反射和折射光线，根据膜层厚度的不同呈现不同的颜色，非常有利于外科术前准备及缩短手术时间。有文献报道，钛及钛合金表面阳极氧化可以提高生物相容性[3]；抑制有害元素钒和铝的析出，降低细胞毒性[4,5]。

但是外科植入物长期植入人体体内，表面阳极氧化层若含有杂质元素，生物安全性能存在一定的风险。本文基于扫描电镜及能谱仪，依据相关的国家标准和行业标准，建立一种分析钛及钛合金表面阳极氧化层杂质元素的分析方法，有助于国家监督部门监管，及企业内部质量控制。收集不同生产商提供的约200件试验样品，统计试验发现的杂质元素种类及其数量，并结合生产流程分析杂质元素产生的可能原因，有助于推动该领域技术水平的进步。

1.仪器设备

①扫描电镜与能谱仪；②膜厚测量仪：型号F40优尼康科技有限公司。

2.试验方法

2.1 实验准备

仪器准备：在进行校准和分析之前，首先检查束流稳定性、探测器稳定性（见GB/T 20726）；检查或重新校准探测器的能量标尺；测量探测器的分辨率（见GB/T 20726）。

试样准备：试样应平坦、无水、致密、稳定和导电良好的试样。

2.2 实验条件

试验条件依据GB/T 17359-2012，ISO 22309:2006《微束分析 能谱法定量分析》。

2.2.1 加速电压设定

灯丝应有足够的时间达到合适的稳定度，加速电压通常在10～25kV选择，原则如下：①为了有效激发获得高峰值强度，过压比至少达到2例如要激发Cu的K线系谱线时，推荐的最小加速电压为20kV。②为了分析低能线，例如1～3keV，用低加速电压能够减小吸收校正和可能产生的误差。③为了准确分析，基本要求是分析特征应该全部包含在分析体积内。估算加速电压对分析区域和分析深度的影响，见ISO 14594，可以按该标准选择合适的加速电压。

2.2.2 试样在电子束下的正确定位

①本次实验中使用的能谱仪，需要试样表面定位在光学显微镜的焦面上，并且与仪器电子束成90°的角度。试样定位或者意外倾斜误差，会降低分析数据的准确度。②在扫描电镜中，试样高度是由相关EDS厂家选择或者给定的工作距离确定。试样倾斜应设置为零。

2.2.3 束流选择

为了从试样中获得整个谱峰的足够高的计数率，束流应该足够大。但束流也不能太大，以免产生电子学失真或者在谱图中产生纯元素的和峰。在可能的情况下计数率至少在2000～3000计数/s，相应的死时间为20%～30%，最强峰计数约为50000，或者谱图总计数为250000，通常对应于约100s的活时间。

3.峰的识别

能谱厂商提供自动谱峰鉴别软件，一些软件能处理重叠峰。然而，其性能依赖于峰形构成的准确度，因此，同一个试样对不同的软件、电路和探测器组合能产生不同的结果。仔细考虑可能的峰重叠，见GB/T 17359-2012，ISO 22309:2006中附录B。

分析每个元素的浓度时，应该选择合适的谱峰，例如，加速电压20kV时，合适的定量分析线选择如下：Z=11～30时，选择K线；Z=29～71时，选择L线；Z=72～92时，选择M线。鉴别的谱峰应具有统计意义，即，峰强度>[N(b)+3[N(b)]1/2]，N(b)为背底强度的平均值。对一个特别感兴趣的元素弱峰，应该较长时间采集谱图，检查该谱峰是否具有统计意义。

当两个或者更多元素特征谱峰彼此之间靠得足够近时，谱峰鉴别会产生不确定性。两个相邻谱峰之间分开的能量大小，依赖于探测器的分辨率和校正准确度。但典型的临界值为30eV；分离的谱峰>30eV时，用自动和手动鉴别都不会产生问题。

4.结果分析

收到企业送检样品总共162批次，其中黑灰色阳极氧化样品66批次，彩色阳极氧化样品96批次。表面经扫描电镜及能谱仪分析：其中，黑灰色阳极氧化样品，所包含元素除基体元素外，还可包含少量的Na、Si、P、S等元素；彩色阳极氧化样品，所包含元素除基体元素外，应无与基体材料不一致的其他元素。

黑灰色阳极氧化样品具体检测结果见图1。其中，未见杂质元素的样品11批次，占比16.67%。可见杂质元素包含Na、Si、P、S、K、Mg及Ca，占比情况见图1。

图1. 黑灰色阳极氧化样品检测结果

彩色阳极氧化样品具体检测结果见图2。其中，未见杂质元素的样品76批次，占比79.17%。可见杂质元素包含Na、Si、P、S及F，占比情况见图2。

图2. 彩色阳极氧化样品检测结果

阳极氧化工艺的实验步骤一般包括：试样打磨抛光→水洗→碱洗除油→水洗→酸洗→水洗→阳极氧化→水洗→漂洗→干燥。“试样打磨抛光”步骤，一般地用二氧化硅喷砂或者SiC水磨砂纸打磨[6]；“碱洗除油”步骤一般用NaOH溶液；“酸洗”步骤一般用HF处理。钛合金阳极氧化的电解液一般有三种：酸性、碱性和中性。酸性电解液的成分有和H3PO4[1,2]；碱性电解液的成分为NaOH；中性电解液的成分有 (NH4)2SO4、Na2SO4、Na3PO4、NaAIO2等[7-9]。

有文献报道，阳极氧化膜含杂质的多少及种类与槽液的成分有关[10]。阳极氧化液为强酸或强碱则杂质元素混入氧化膜的概率极微；相反地，若使用中性或弱酸性阳极氧化液，杂质元素混入氧化膜概率稍多一点。分析工艺其P、S元素主要来自电解液配方（参见电解液成分）。含F元素可能是因为阳极氧化预处理使用了HF。表面含Si元素产品占产品总数25%，进一步分析工艺，可能来自阳极氧化前的喷砂过程（喷砂料为二氧化硅），或者预处理时使用了SiC水磨砂纸打磨试样表面。表面杂质中的Na元素，有可能自电解液中的Na离子，或者是碱洗除油使用了NaOH；此外，Na离子较容易通过后期清洗完全清除，也可能是清洗时间不够长或者清洗方式不正确[7-9]。

按照阳极氧化产品颜色种类统计分析结果见表1。本中心收集数家企业阳极氧化产品，使用膜厚测量仪测量了表1所列四种颜色膜层厚度，由薄到厚依次是：蓝色→黄色→紫色→绿色。该膜厚测量结果与光干涉的原理一致。由表1可见，4种颜色的阳极氧化产品杂质元素都包含F元素，蓝色和黄色阳极氧化产品杂质元素包含Si元素。黄色阳极氧化产品杂质元素种类最多，数量占比也最多。需要说明的是，表1所列数据仅代表目前四种颜色产品整体质量水平，而且随着样本量的增加及技术水平的进步杂质元素种类及其占比有可能会发生变化。本中心拟建立数据库，汇总数千批产品的检测结果，网罗国内外几十家企业该工艺可能出现的杂质元素种类，并统计了每种杂质元素占比情况。

表1. 不同颜色样品杂质元素分析

5.小结

本文建立了一种分析钛及钛合金阳极氧化层杂质元素的方法，该方法样品预处理简单，可以批量检验，实现了对杂质元素的定性及半定量分析。为了保证分析的有效性及准确性：①加速电压设定：既要有效激发获得高峰值强度，又能够分析低能线，并且要求是分析特征应该全部包含在分析体积内。②试样在电子束下的正确定位：与仪器电子束成90°的角度，试样高度由扫描电镜厂家规定，本试验室使用电镜最佳高度是8mm。③束流选择：须保证计数率和死时间在规定的范围内。

本文所述分析方法，一方面有助于国家监督部门监管，企业内部质量控制；另一方面，收集一定量的样品，基于该方法在同等试验条件下进行统计分析。汇总试验发现的杂质元素种类及其数量，并结合生产流程分析杂质元素产生的可能原因，有助于该领域技术水平的进步。