运用电感耦合等离子体原子发射光谱法进行生物医用钽和钛材料的成分分析

武静文，罗彦凤，杨柳，杨娅岚，范能全（通信作者）

1 重庆市食品药品检验检测研究院 （重庆 401121）；2 重庆大学生物工程学院（重庆 400030）

生物医用金属材料指外科用金属材料或医用金属材料，是在生物医用材料中使用的金属或合金材料，属于一类惰性材料。临床应用的生物医用金属材料主要包括不锈钢、钛（Ti）基合金、贵金属、纯金属铌（Nb）、锆（Zr）、钽（Ta）、Ti 等[1]。Ta 和Ti 合金因其良好的力学性能和生物相容性而成为临床常用的骨科材料，被广泛用于牙种植、人工关节置换／翻修、结构支撑、椎间融合等方面[2]。生物医用金属材料的理化性能与其化学组成是密切相关的，化学组成的变化必然导致一系列理化性能的变化。在成分分析方面，Ta 和Ti 合金均可被氢氟酸溶解后进行材料成分分析，但医疗器械生物学评价标准GB/T 16886.1-2011《医疗器械生物学评价 第1部分：风险管理过程中的评价与试验》未对金属材料的成分进行考察，仅通过可沥滤物和可降解物来评价医疗器械风险[3]；查阅相关文献发现，Ta、Ti 成分分析只局限于矿石、工程材料中的常量组分（质量分数>1%），并未对ICHQ3D 元素杂质指导原则中的风险元素进行考察[4-6]。

电感耦合等离子体原子发射光谱法（inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-OES）相比于其他的元素定量分析方法（如原子吸收法、电感耦合等离子体质谱法），具有抗干扰性强、线性范围宽、能准确快速地同时测定多种元素等优点[7]。本研究拟采用ICP-OES 氢氟酸分析系统，建立生物医用Ta、Ti 材料的成分分析方案，旨在能及时防范上述材料生产中的风险，并为更好地评价医疗器械生物学风险提供数据支撑。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ICP-OES 仪器（美国Thermo Fisher，型号iCAP7400），数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司，型号KQ-500DE），电子天平（上海梅特勒公司，型号XSE204）。

国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的汞（Hg）标准溶液（批号19042）、硅（Si）标准溶液（批号18B044）、钼（Mo）标准溶液（批号19C004-2）、Ta标准溶液（批号201004），浓度均为1 000μg/ml；国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的铝（Al）、砷（As）、硼（B）、钡（Ba）、铍（Be）、铋（Bi）、镉（Cd）、钴（Co）、铬（Cr）、铜（Cu）、铁（Fe）、稼（Ga）、锂（Li）、镁（Mg）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）、锑（Sb）、锡（Sn）、锶（Sr）、Ti、铊（Tl）、钒（V）、锌（Zn）多元素混合标准液（批号196046-3），浓度为100 μg/ml；中国计量科学研究院生产的铈（Ce）标准溶液（批号20011）、钙（Ca）标准溶液（批号19092），浓度均为1 000 μg/ml；国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的铪（Hf） 、Nb、Ta、钨（W）、Zr混标溶液（批号20D5637），浓度为20 μg/ml；北京化工冶金研究院生产的Ti标准溶液（批号080357），浓度为1 000 μg/ml。

硝酸、氢氟酸为优级纯，水为超纯水。本研究所用Ta、Ti 粉末的提供单位为重庆某材料公司。

1.2 ICP-OES 仪器参数

泵速50 r/min，辅助气流量0.5 L/min，射频功率1 150 kW。观测方式：预筛试验选择垂直，含量测定选择水平。

1.3 溶液的制备

10 μg/ml 混标储备液配制：取一个50 ml 塑料容量瓶，分别加入Hf、Nb、Ta、W、Zr 混标溶液25 ml，Al、As、B、Ba、Be、Bi 等多元素混合标准液5 ml，1.1所述单标溶液（除Ta、Ti 标准溶液）各0.5 ml，用5%硝酸－氢氟酸溶液定容至刻度，得到10 μg/ml 混标储备液。

A 标准系列溶液制备：分别取10 μg/ml 混标储备液0.25、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0、7.5、10.0、15.0 ml 加入各自对应的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氢氟酸定容至刻度，得到50、100、200、300、500、800、1 000、1 500、2 000、3000 ng/ml 标准系列溶液。（注：A 代表除Ta、Ti 的所有元素）

Ta、Ti 标准系列溶液制备：取一个50 ml 塑料容量瓶，分别加入Ta、Ti 单标溶液5 ml，用5%硝酸－氢氟酸溶液定容至刻度，得到100 μg/ml Ta、Ti 混标储备液；分别取100 μg/ml Ta、Ti 混标储备液0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、5.00 ml 加入各自对应的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氢氟酸定容至刻度，得到0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 μg/ml 标准系列溶液。

预筛溶液和样品溶液制备：取Ta 粉、Ti 粉各0.1 g，分别放入聚四氟乙烯消解罐中，加入5 ml 超纯水将样品润湿，再加入5 ml 硝酸、5 ml 氢氟酸，加盖密封后，于超声清洗器中25 ℃条件下清洗1 h；将反应后的溶液多次冲洗并通过0.45 μm 过滤器过滤到 50 ml 塑料容量瓶中，用超纯水定容至刻度，得到Ta、Ti 预筛溶液；取上述预筛溶液0.5 ml 加入各自对应的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氢氟酸定容至刻度，得到Ta、Ti 样品溶液。

样品加标溶液制备：取3份上述Ta、Ti 预筛溶液0.5 ml分别加至50 ml 塑料容量瓶中，并分别加入10 μg/ml 混标储备液1.0、1.5、2.5 ml，用5%硝酸－氢氟酸定容至刻度得到200、300、500 ng/ml Ta、Ti 的A 加标溶液；取3份上述Ta、Ti 预筛溶液0.05 ml 分别加至50 ml 塑料容量瓶中，并分别加入100 μg/ml Ta、Ti 混标储备液0.5、1.0、1.5 ml，用5%硝酸－氢氟酸定容至刻度得到1、2、3 μg/ml Ta、Ti 加标溶液。

1.4 检测方法

本研究所采用的氢氟酸进样法，具有溶样速度快、环保节能和可批量生产的优点，相较于其他前处理方法具有明显优势：碱熔法用碱熔融时间过长，操作比较烦琐，且处理过程易带入外来污染源；传统的无耐氢氟酸系统的ICP-OES，必须要把溶液中的氢氟酸赶尽，再用5%的酒石酸来进行复溶、提取，所测结果偏低[8]。

2 结果与分析

2.1 预筛系统的建立

取10 μg/ml 混标储备液，对预筛液进行全谱扫描。参照ICHQ3D 元素杂质指导原则，对于1类和2A 类元素，即Cd、Pb、As、Hg、Co、V、Ni 进行强制考察，不纳入预筛考察范围。参照Ti 及Ti 合金牌号和化学成分标准GB/T 3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》[9]规定，对单一杂质含量小于0.05%的元素不进行考察，对应至本检测方法，即1 μg/ml 以下的元素不进行考察。各元素所选波长和预筛试验结果见表1。由表1结果并结合上述预筛原则得出，需要考察的元素为Al、As、B、Cd、Co、Fe、Hg、Mn、Mo、Nb、Ni、Pb、Si、Ta、Ti、V、W、Zn。

表1 各元素所选波长和预筛试验结果（μg/ml）

2.2 线性关系、检出限及定量限的考察

由表2可知，18种元素线性表现良好，相关系数均在0.9997以上。取样品空白，连续测定11次， 由11次浓度读数的标准偏差计算检出限和定量限[10]。0～3 000 ng/ml 范围的16种元素， 检出限均低于15 ng/ml， 定量限均低于50 ng/ml；定量限小于标准曲线起点50 ng/ml，满足检测要求；0～10 000 ng/ml 范围的2种元素，Ti 检出限、定量限表现良好，均远低于标准曲线起点500 ng/ml，Ta 定量限能够满足检测要求，但远高于Ti，可能的原因为Ta、Nb 在酸溶液中易发生水解反应[11]，导致Ta、Nb 定量限均接近于标准曲线的起点50、500 ng/ml。

表2 各元素线性关系、检出限及定量限

2.3 精密度与稳定性

0～3 000 ng/ml 范围的16种元素取800 ng/ml 标准溶液作为精密度和稳定性的待测液；0～10 000ng/ml 范围的Ta、Ti 元素取4 000 ng/ml 标准溶液作为精密度和稳定性的待测液。将待测液连续测定6次，所得浓度的相对标准偏差作为精密度[12]。分别取两个时间点对待测液测定1次，根据各元素两次浓度值计算变化率C：

式中，A为第一时间点的测定值，B为不同时间的测定值，C为变化率[13]。

由表3可知，18种元素的精密度在2%以内，2 h 的变化率C均小于11%，满足方法学要求。

表3 精密度与稳定性试验结果

2.4 加标回收试验

对Ta、Ti 合金两种材料的共18种元素的加标回收率进行分析，并以100%回收率为标准，统计最低回收率结果（即与100%偏差最大的值）。Ta、Ti为材料的主成分含量元素，以1、2、3 μg/ml 作为低、中、高浓度的加标溶液；其余16种元素为材料的微量、痕量元素，以200、300、500 ng/ml 作为低、中、高浓度的加标溶液。由表4可知，18种元素的平均回收率为85%～112%，满足方法学要求。W 的低浓度回收率为76%，偏低原因可能为W（+6价）在酸性溶液中不稳定，易受温度影响，致使低浓度测得含量值偏低[14]。

表4 18元素加标回收率试验结果

2.5 方法准确度

使用本检测方法对国家标准物质（BW0000-2016）Ti合金进行测定，与标样证书上的认定值进行对比，结果见表5。参照GB/T 3620.2-2007《钛及钛合金加工产品化学成分允许偏差》[15]规定，本检测方法所测结果值（除Ti 外）均在标样认定值的范围内；标准物质证书中未给出Ti 含量，且GB/T 3620.2-2007未给出成分大于50%的偏差标准，考虑到样品在溶解稀释时存在一定的误差，Ti 含量偏差值小于3%，结果能够符合要求；Zn、Si、Cd、Pb、As、Hg 标准物质中未涉及，但此6种元素的加标回收率为86%～94%，且Cd、Pb、As、Hg 多为超痕量组分（约0.0001%），允许偏差率较宽，因此本检测方法能够满足实际需要。

表5 标样测定值与认定值对比

2.6 样品含量测定结果

由表6可知，Ta 材料Ta 纯度要高于Ti 合金中的Ti 纯度，Ta、Ti 合金材料中的其余成分包括本检测方法未涉及的非金属元素（如C、H、O、N、P、S 等），以及预筛中排除的元素（如Zr、Cr、Hf、Bi 等）。医疗器械关注的风险元素方面：Ti 合金中的V、Al 含量较高，均占5%左右，V 虽然毒性较低，但在人体内形成的含V 化合物可引起结膜炎、鼻炎等，严重时还可能引起肺癌[16]；体内积累过多的Al 会对人体的中枢神经系统及胚胎发育造成有不良影响，引起老年痴呆、 帕金森氏痴呆综合征等神经失调疾病[17]。ICHQ3D 中1类风险元素（Pb、As）在两种材料中均为未检出，Ta 材料中Cd、Hg 含量要略高于Ti 合金。综合分析表6结果得出，在保证同等医疗效果情况下，Ta 材料的安全性要优于Ti 合金。

表6 Ta、Ti 材料样品百分含量结果

3 讨论

本研究采用ICP-OES 氢氟酸分析系统，建立了Ta、Ti 医用材料中34种元素的预筛体系，基本涵盖了材料中可能涉及的所有金属元素，并重点关注了ICHQ3D 所涉及的高风险元素。本研究对单一杂质含量小于0.05%的元素没有进行考察，该判断标准可依据研究方向及关注重点进行加严调整。相较于一般的材料组分研究不涉及预筛，只针对目标元素进行分析[17-19]，该预筛体系可快速筛查出未知风险元素，是监管医用金属材料安全使用的重要技术手段。

本研究对预筛后的Ta、Ti、Nb、Mo、Zn、Si、W、Pb 等18种元素进行了方法学考察，结果满足检验要求。其中Ta、Ti 主含量元素检出限分别为11.40 、109.80 ng/ml，其余16种元素检出限均低于15 ng/ml；所测元素的精密度在2%以内，2 h 的变化率均小于11%；18种元素的平均回收率为85%～112%。相较于其他元素，Ta 检出限偏高；相关文献表明，运用检出限较低的ICP-MS 测定Ta 材料中的Ta，检出限范围为130 ng/ml[20]，表明本检测方法Ta 的检出限较好。

本研究通过对国家标准物质（BW0000-2016）Ti 合金进行比对测定，偏差结果符合GB/T 3620.2-2007规定要求，证明了本检测方法的可靠性。目前，《海绵钛、钛、钛合金化学分析方法》标准第22到29部分GB/T 4698.22-2017～GB/T 4698.29-2017已采用ICP-OES 检测Ti 材料中的Nb、钕（Nd）、Ni、钯（Pd）、钌（Ru）、Ta 和W[21]，证明了本检测方法的可行性。通过对Ta、Ti 两个样品材料进行成分分析，明确了组分含量和安全风险，对拓宽这两种材料的技术监管范围和更科学地评价医疗器械生物学试验具有前期意义。