面向3D打印多孔陶瓷材料外科植入物宏微觀結構特征的分析評價方法

張晨，董雙鵬，張述，馬會，董恩純，康建峰，李滌塵，王玲

1.國家食品藥品監督管理局天津醫療器械質量監督檢驗中心，天津 300384；2.無源植入器械質量評價重點實驗室，天津300384；3.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049；4.國家藥品監督管理局醫用增材制造器械研究與評價重點實驗室，陜西 西安 710054

引言

3D打印技術又稱增材制造技術，是一種通過簡單的二維逐層累加材料的方式直接成型三維復雜結構的數字制造技術[1]，其可實現內部復雜結構、外部幾何形狀的自由制造，因此廣泛應用于醫療領域[2-4]。3D打印陶瓷技術主要包括光固化成形、三維印刷、選擇性激光燒結、分層實體制造和擠出成形等打印工藝[5-6]?？晒┐蛴〉尼t用生物陶瓷材料，根據生理環境中所發生的生物化學反應可分為生物惰性陶瓷（如氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅等，特點為耐腐蝕、耐磨損、不降解，適用于制備義齒、人工關節等，圖1a）[7]、生物活性陶瓷（如羥基磷灰石陶瓷，對骨細胞生長有一定的引導誘發作用，能促進缺損骨組織的修復，圖1b）[8]、生物降解陶瓷（如β-磷酸三鈣，在體內溶解度較大，溶解產物進入體液，隨血液循環參與機體的新陳代謝，在種植體部位重新產生新的組織，可用于骨填充塊或人工關節涂層，圖1c）[9]。

圖1 3D打印陶瓷材料外科植入物[7-9]

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物[10]。由于粘結劑粉末的熔點較低，激光燒結時只是將粘結劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結在一起。在激光燒結之后，需要將陶瓷制品放入到溫控爐中，在較高的溫度下進行后處理，其制備的樣品特征為既呈現孔徑＞10 μm的宏孔如圖2a中黃色大圈所示，內連接如圖2a中紅色小圈所示，又存在孔徑≤10 μm的微孔如圖2b中紅圈內所示。這與3D打印金屬材料的多孔特征均為宏孔存在顯著不同（圖3）[11]，因此，針對多孔生物陶瓷支架需從宏觀和微觀2個方面進行特征分析。

圖2 3D打印多孔陶瓷的宏孔、內連接（a）和微孔（b）

圖3 3D打印金屬多孔樣件與CT掃描圖像[11]

在3D打印陶瓷材料的外科植入物中，以羥基磷灰石和β-磷酸三鈣陶瓷材料的使用最廣泛[12]，該材料的骨替代物是目前公認的自體骨和同種異體骨移植替代品[13-15]，其主要優點如下：① β-磷酸三鈣為合成材料，可以避免傳染性疾病感染患者；② 該材料在骨植入部位顯示出骨傳導作用，可促使材料表面愈合，且生物相容性較好[16]；③ β-磷酸三鈣骨替代物的愈合過程與其多孔結構相關，足夠大的孔和內部連接可以使新骨長入整個植入物，且孔隙率也會影響陶瓷的吸收水平，微孔量越多，溶解率越高[17-18]。有研究表明，多孔結構對于骨替代物的有效性有重要影響[18]，當孔徑在300～600 μm時，利于細胞長入和血供，并最終形成礦化骨[19]。陶瓷的微結構還會對力學性能產生影響：當內連接徑不變、孔徑增大時，孔隙率下降，力學性能增強；孔徑不變時、內連接徑增大，孔隙率變大，力學性能下降。因此，針對多孔3D打印陶瓷件的孔隙結構特征進行分析是器械臨床前性能評價的必要步驟。

根據食品藥品監管總局發布的《鈣磷/硅類骨填充材料等3項注冊技術審查指導原則》[20]中對3D打印多孔陶瓷的多孔特征進行分析的要求為：對于多孔結構的產品或者固化后為多孔結構的產品，描述產品內部多孔結構幾何特征，包括總孔隙率、開孔孔隙率和/或孔連通率、平均孔徑、孔徑分布等。但指導原則中未提及相應的測試方法。在2018年1月1日實施的YY/T 1558.3-2017《外科植入物 磷酸鈣 第3部分：羥基磷灰石和β-磷酸三鈣骨替代物》[21]標準中明確了多孔結構形貌技術指標為總孔隙率、微孔、宏孔和內連接徑?；诖?，本文旨在針對多孔結構的宏微觀技術指標提出相應的測定方法、檢測難點及最終解決方案。

1 材料與方法

1.1 測試樣品

3D打印β-磷酸三鈣陶瓷材料骨替代物樣品如圖4所示，規格為直徑10 mm×高度5 mm。

圖4 3D打印β-磷酸三鈣陶瓷材料骨替代物樣品注：a.樣品放大細節圖；b.微孔測試用包埋試樣。

1.2 測試設備

使用微米X射線CT（Micro-CT，Y.Cheetah，德國）對多孔樣件進行掃描，掃描時使用錐形束螺旋式掃描方式，掃描電壓為90 kV，掃描層厚為0.011 mm。完成掃描后輸出Dicom數據以開展相關數據分析。樣件微孔孔徑檢測設備為場發射掃描電子顯微鏡（SU-8010，日本）。

CT掃描參考GB/T 36984-2018《外科植入物用多孔金屬材料X射線CT檢測方法》[22]，但該標準僅界定了相關結構特征參數的含義，具體實施方法尚不明確。為此，還需基于多孔樣件掃描圖像數據，結合統計學方法基本原理，建立測試參數及相關數據處理方法。

1.3 測試方法

通過對YY/T 1558.3-2017[21]中總孔隙率、宏孔、微孔和內連接徑的測試方法進行分析后，本文將各種方法的檢測難點和解決方案進行歸納和總結（表1）[23-24]，通過表1對比發現，使用Micro-CT可以對樣件直接進行無損檢測，并且可以觀察樣件三維特征，對掃描數據處理可以同時得到孔隙率、宏孔孔徑與內連接參數，因此對以上參數特征選取該方法進行檢測。而對于微孔孔徑特征，選擇使用掃描電鏡進行觀測。

表1 依據YY/T 1558.3-2017的陶瓷多孔結構的測試方法[23-24]

2 測試步驟

為消除樣件擺放位置和邊緣陰影對分析結果的影響，將掃描后的多孔樣件在中間截取直徑8 mm×高度3 mm的圓柱體?；趻呙钄祿Χ嗫捉Y構特征進行檢測，測試數據如下。

2.1 總孔隙率

包括單張圖像孔隙率，所有圖像的平均孔隙率、三維孔隙率。在軟件Mimics 16.0中設定材料的灰度閾值提取實體材料，并輸出沿圓柱軸向所有圖像的實體面積，計算出每張圖像的孔隙率。在軟件VG Studio MAX 3.0中設定材料的灰度閾值提取實體材料，使用雜物分析功能計算樣件的三維孔隙率。

2.2 微孔孔徑

使用掃描電子顯微鏡對樣件微孔孔徑進行測量，測量時隨機選取一個視場，調整合適放大倍數，測量其中孔徑小于10 μm的5個孔的橫向和縱向數值，獲得微孔孔徑的測量值。

2.3 宏孔孔徑

采用內切圓方法進行宏孔孔徑分析，在垂直于圓柱軸線方向等距選擇5個截面，然后在每個截面內選擇四周和中心5個樣本點進行取樣，取樣時避免選取周邊位置，減少樣件擺放位置與邊緣陰影影響（圖5）。

圖5 多孔樣件宏孔孔徑采樣點位置分布

2.4 內連接

2.4.1 內連接徑

內連接徑為相鄰多孔結構連接部位的尺寸，反映了多孔結構之間的相互連通情況。按照上述宏孔孔徑的采樣方式分別對多孔樣件孔內連接徑進行測量，測量示意圖如圖6所示。

圖6 孔內連接徑測量示意圖

2.4.2 連通性

使用Mimics 16.0軟件中孔分析功能，對多孔樣件的連通性進行分析。

2.5 開/閉孔率

開/閉孔率在YY/T 1558.3-2017[21]中未涉及，使用VG Studio MAX 3.0軟件中雜物分析功能對樣件的開/閉孔體積進行分析，樣件開孔率計算方式如公式（1）所示，樣件閉孔計算率如公式（2）所示。

式中，P開為開孔率，V開為開孔區域體積，V總為樣本總體積。

式中，P閉為閉孔率，V閉為閉孔區域體積，V總為樣本總體積。

3 結果

3.1 孔隙率

3.1.1 單張圖像的孔隙率

單張圖像的孔隙率及孔隙率頻數統計如圖7所示，樣件軸向方向孔隙率變化范圍為0.564～0.612。

圖7 軸向方向所有片子孔隙率的分布（a）和頻數（b）

3.1.2 所有掃描圖像平均孔隙率及孔隙分布均勻性

對樣件軸向方向圖像孔隙率進行統計分析，共計279張片子的孔隙率為58.5%±1.9%。

3.1.3 三維孔隙率

在軟件VG Studio MAX 3.0中通過閾值劃分，區分圖像中的空氣與實體部分的邊界，對該區域進行三維重建，重建效果如圖8所示，灰色區域為多孔實體部分，其余為空隙。通過軟件中的空隙/雜物分析功能計算得到多孔樣件的三維孔隙率為64.55%（圖9）。

圖8 多孔樣件三維重建示意圖

圖9 多孔樣件孔隙率計算結果

為驗證該方法，通過對稱重數據處理所得的孔隙率實測值為64.90%。2種方法計算結果的相對誤差為0.35%。

3.2 微孔孔徑

多孔樣件微孔觀測圖像如圖10所示，取樣位置為左圖樣品上紅框處，右圖為放大4000倍下的掃描電鏡圖，紅圈處為隨機選取的5個微孔1#～5#，微孔孔徑的采集數據結果如表2所示，經計算，微孔孔徑均值為（1.827±0.969）μm。

表2 多孔樣件微孔孔徑測量結果（μm）

圖10 微孔觀測圖像

3.3 宏孔孔徑

按照圖5選擇宏孔孔徑的測量位置，測量數據共計25個，內切圓宏孔孔徑的采集數據結果如表3所示，經計算，內切圓宏孔孔徑均值為（0.358±0.172）mm。宏孔孔徑分布如圖11所示，統計圖中統計了25個數據的分布情況，其中，孔徑尺寸主要集中在0.1～0.5 mm之間。

圖11 宏孔孔徑分布示意圖

表3 多孔樣件各平面的內切圓宏孔孔徑測量結果（mm）

3.4 內連接

3.4.1 內連接徑

按照圖5選擇內連接徑的測量位置，測量數據共計25個，不同平面孔內連接徑的采集數據結果如表4所示，經計算，孔內連接徑均值為（0.137±0.090）mm?？變冗B接徑分布如圖12所示，統計圖中統計了25個數據的分布情況，其中，內連接徑尺寸主要集中在0.05～0.20 mm 之間。

圖12 內連接徑分布示意圖

表4 多孔樣件各平面孔內連接徑測量結果（mm）

3.4.2 連通性

采用Mimics 16.0軟件中孔分析功能計算多孔樣件連通率為99.38%。

3.5 開/閉孔率

采用VG Studio MAX 3.0軟件中雜物分析功能得到樣件閉孔分布如圖13所示。計算多孔樣件開孔率為64.40%，閉孔率為0.15%。

圖13 樣件開/閉孔分布

4 討論

3D打印外科植入物多孔結構幾何特征參數對其在體內的服役性能的影響至關重要，在充分調研國際及國內相關測試方法后，發現相關標準雖然提到了測試方法，但僅說明了可能采用的相關測試設備，并無明確的測試步驟，同時對每種測試設備的測試難點及是否可行沒有明確的結論，且目前國內鮮見具體測試方法的研究?；诖?，本文開展了多孔結構的孔隙率、微孔孔徑、宏孔孔徑、連通性測試方法的研究，測試方法參考了YY/T 1558.3-2017[21]和GB/T 36984-2018[22]。通過對測試方法中檢測難點的剖析，形成了一套多孔結構形貌的具體量化測試方法，且該方法具有科學性和可操作性，可適用于大部分多孔結構樣件。

在孔隙率的測試方法上，本文還對Micro-CT掃描數據分析得到的三維孔隙率和稱重法實測測量值進行比較，結果顯示，三維孔隙率和稱重法所得孔隙率分別為64.55%和64.90%，2種方法計算結果的相對誤差為0.35%，表明通過三維分析能有效反映多孔結構孔隙率。相比以上2種測試方法，Micro-CT掃描數據分析法無需分別提供實體和多孔樣塊，且無需考慮樣品干燥程度、空氣濕度等因素的影響，更為便捷有效。

同時對YY/T 1558.3-2017[21]中未涉及的開/閉孔率進行了測試方法研究。開/閉孔率作為多孔結構的重要評價指標之一，食品藥品監管總局發布的《總局關于發布鈣磷/硅類骨填充材料等3項注冊技術審查指導原則》[20]中也提及了該內容，因閉孔對于骨長入是無效的，則該項目可作為多孔結構性能評價的研究內容之一，利于幫助制造商更好地提高制造水平。

3D打印陶瓷樣件在高溫脫脂燒結過程，表面會形成微米級的多孔結構，Micro-CT目前可以最小分辨亞微米級的結構，但受分辨率限制，需要嚴格限制送檢樣件的宏觀尺寸以達到良好的觀測效果，如期望最小觀察1 μm左右的微孔結構，需要將樣件尺寸限制在1 mm以下，即樣件最大宏觀尺寸不宜超過最小微觀特征的1000倍，這給樣件制備帶來較大困難[25]。而使用掃描電鏡觀察微孔結構時，受設備限制，觀測樣件以薄片效果最佳，并且僅可觀察樣件表面形貌，無法觀察樣件內部微結構形態。因此目前對于3D打印陶瓷樣件內部微孔的檢測，仍存在諸多困難，具體檢測方法的選擇應根據樣件具體性能及特征尺度觀測需求進行合理選擇。

5 結論

本研究主要面向3D打印多孔結構陶瓷材料外科植入物，通過對不同測試方法的理論對比和可行性分析，提出了基于Micro-CT和掃描電鏡掃描成像方法進行3D打印多孔結構陶瓷樣件的孔隙結構的宏微觀特征表征和分析的統計方法，形成了一套3D打印多孔結構陶瓷材料外科植入物形貌宏微結構尺寸特征的有效的測量和評價方法。本文提出的方法，有利于實現多孔結構宏微觀特征的相關測試內容和試驗過程的規范統一，確保測試過程方法有據可依，結果評價準確有效，有利于提升產品的加工精度，便于不同企業同種工藝制造的多孔結構特征參數之間等同比較，并可為醫療器械行業多孔結構宏微觀特征的數據積累奠定基礎，有利于提高與人體生命安全息息相關的外科植入物產品的研發和制造水平。