張晨，董雙鵬，張述，馬會(huì)，董恩純，康建峰，李滌塵，王玲

1.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；2.無(wú)源植入器械質(zhì)量評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；3.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；4.國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)用增材制造器械研究與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054

引言

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是一種通過(guò)簡(jiǎn)單的二維逐層累加材料的方式直接成型三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)字制造技術(shù)[1]，其可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)、外部幾何形狀的自由制造，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[2-4]。3D打印陶瓷技術(shù)主要包括光固化成形、三維印刷、選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造和擠出成形等打印工藝[5-6]?？晒┐蛴〉尼t(yī)用生物陶瓷材料，根據(jù)生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)為耐腐蝕、耐磨損、不降解，適用于制備義齒、人工關(guān)節(jié)等，圖1a）[7]、生物活性陶瓷（如羥基磷灰石陶瓷，對(duì)骨細(xì)胞生長(zhǎng)有一定的引導(dǎo)誘發(fā)作用，能促進(jìn)缺損骨組織的修復(fù)，圖1b）[8]、生物降解陶瓷（如β-磷酸三鈣，在體內(nèi)溶解度較大，溶解產(chǎn)物進(jìn)入體液，隨血液循環(huán)參與機(jī)體的新陳代謝，在種植體部位重新產(chǎn)生新的組織，可用于骨填充塊或人工關(guān)節(jié)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(jié)劑粉末所組成的混合物[10]。由于粘結(jié)劑粉末的熔點(diǎn)較低，激光燒結(jié)時(shí)只是將粘結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起。在激光燒結(jié)之后，需要將陶瓷制品放入到溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行后處理，其制備的樣品特征為既呈現(xiàn)孔徑＞10 μm的宏孔如圖2a中黃色大圈所示，內(nèi)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(nèi)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(duì)多孔生物陶瓷支架需從宏觀和微觀2個(gè)方面進(jìn)行特征分析。

圖2 3D打印多孔陶瓷的宏孔、內(nèi)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(rèn)的自體骨和同種異體骨移植替代品[13-15]，其主要優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)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(guò)程與其多孔結(jié)構(gòu)相關(guān)，足夠大的孔和內(nèi)部連接可以使新骨長(zhǎng)入整個(gè)植入物，且孔隙率也會(huì)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(jié)構(gòu)對(duì)于骨替代物的有效性有重要影響[18]，當(dāng)孔徑在300～600 μm時(shí)，利于細(xì)胞長(zhǎng)入和血供，并最終形成礦化骨[19]。陶瓷的微結(jié)構(gòu)還會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響：當(dāng)內(nèi)連接徑不變、孔徑增大時(shí)，孔隙率下降，力學(xué)性能增強(qiáng)；孔徑不變時(shí)、內(nèi)連接徑增大，孔隙率變大，力學(xué)性能下降。因此，針對(duì)多孔3D打印陶瓷件的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析是器械臨床前性能評(píng)價(jià)的必要步驟。

根據(jù)食品藥品監(jiān)管總局發(fā)布的《鈣磷/硅類骨填充材料等3項(xiàng)注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》[20]中對(duì)3D打印多孔陶瓷的多孔特征進(jìn)行分析的要求為：對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品或者固化后為多孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，描述產(chǎn)品內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)幾何特征，包括總孔隙率、開(kāi)孔孔隙率和/或孔連通率、平均孔徑、孔徑分布等。但指導(dǎo)原則中未提及相應(yīng)的測(cè)試方法。在2018年1月1日實(shí)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(biāo)準(zhǔn)中明確了多孔結(jié)構(gòu)形貌技術(shù)指標(biāo)為總孔隙率、微孔、宏孔和內(nèi)連接徑?；诖?，本文旨在針對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的宏微觀技術(shù)指標(biāo)提出相應(yīng)的測(cè)定方法、檢測(cè)難點(diǎn)及最終解決方案。

1 材料與方法

1.1 測(cè)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(guī)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(xì)節(jié)圖；b.微孔測(cè)試用包埋試樣。

1.2 測(cè)試設(shè)備

使用微米X射線CT（Micro-CT，Y.Cheetah，德國(guó)）對(duì)多孔樣件進(jìn)行掃描，掃描時(shí)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(shù)據(jù)以開(kāi)展相關(guān)數(shù)據(jù)分析。樣件微孔孔徑檢測(cè)設(shè)備為場(chǎng)發(fā)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(cè)方法》[22]，但該標(biāo)準(zhǔn)僅界定了相關(guān)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的含義，具體實(shí)施方法尚不明確。為此，還需基于多孔樣件掃描圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法基本原理，建立測(cè)試參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法。

1.3 測(cè)試方法

通過(guò)對(duì)YY/T 1558.3-2017[21]中總孔隙率、宏孔、微孔和內(nèi)連接徑的測(cè)試方法進(jìn)行分析后，本文將各種方法的檢測(cè)難點(diǎn)和解決方案進(jìn)行歸納和總結(jié)（表1）[23-24]，通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用Micro-CT可以對(duì)樣件直接進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并且可以觀察樣件三維特征，對(duì)掃描數(shù)據(jù)處理可以同時(shí)得到孔隙率、宏孔孔徑與內(nèi)連接參數(shù)，因此對(duì)以上參數(shù)特征選取該方法進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì)于微孔孔徑特征，選擇使用掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。

表1 依據(jù)YY/T 1558.3-2017的陶瓷多孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法[23-24]

2 測(cè)試步驟

為消除樣件擺放位置和邊緣陰影對(duì)分析結(jié)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?shù)據(jù)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)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(shè)定材料的灰度閾值提取實(shí)體材料，并輸出沿圓柱軸向所有圖像的實(shí)體面積，計(jì)算出每張圖像的孔隙率。在軟件VG Studio MAX 3.0中設(shè)定材料的灰度閾值提取實(shí)體材料，使用雜物分析功能計(jì)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(duì)樣件微孔孔徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)隨機(jī)選取一個(gè)視場(chǎng)，調(diào)整合適放大倍數(shù)，測(cè)量其中孔徑小于10 μm的5個(gè)孔的橫向和縱向數(shù)值，獲得微孔孔徑的測(cè)量值。

2.3 宏孔孔徑

采用內(nèi)切圓方法進(jìn)行宏孔孔徑分析，在垂直于圓柱軸線方向等距選擇5個(gè)截面，然后在每個(gè)截面內(nèi)選擇四周和中心5個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行取樣，取樣時(shí)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(diǎn)位置分布

2.4 內(nèi)連接

2.4.1 內(nèi)連接徑

內(nèi)連接徑為相鄰多孔結(jié)構(gòu)連接部位的尺寸，反映了多孔結(jié)構(gòu)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(duì)多孔樣件孔內(nèi)連接徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量示意圖如圖6所示。

圖6 孔內(nèi)連接徑測(cè)量示意圖

2.4.2 連通性

使用Mimics 16.0軟件中孔分析功能，對(duì)多孔樣件的連通性進(jìn)行分析。

2.5 開(kāi)/閉孔率

開(kāi)/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(duì)樣件的開(kāi)/閉孔體積進(jìn)行分析，樣件開(kāi)孔率計(jì)算方式如公式（1）所示，樣件閉孔計(jì)算率如公式（2）所示。

式中，P開(kāi)為開(kāi)孔率，V開(kāi)為開(kāi)孔區(qū)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(qū)域體積，V總為樣本總體積。

3 結(jié)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(shù)統(tǒng)計(jì)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(shù)（b）

3.1.2 所有掃描圖像平均孔隙率及孔隙分布均勻性

對(duì)樣件軸向方向圖像孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共計(jì)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(guò)閾值劃分，區(qū)分圖像中的空氣與實(shí)體部分的邊界，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行三維重建，重建效果如圖8所示，灰色區(qū)域?yàn)槎嗫讓?shí)體部分，其余為空隙。通過(guò)軟件中的空隙/雜物分析功能計(jì)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(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證該方法，通過(guò)對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)處理所得的孔隙率實(shí)測(cè)值為64.90%。2種方法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為0.35%。

3.2 微孔孔徑

多孔樣件微孔觀測(cè)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(jī)選取的5個(gè)微孔1#～5#，微孔孔徑的采集數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示，經(jīng)計(jì)算，微孔孔徑均值為（1.827±0.969）μm。

表2 多孔樣件微孔孔徑測(cè)量結(jié)果（μm）

圖10 微孔觀測(cè)圖像

3.3 宏孔孔徑

按照?qǐng)D5選擇宏孔孔徑的測(cè)量位置，測(cè)量數(shù)據(jù)共計(jì)25個(gè)，內(nèi)切圓宏孔孔徑的采集數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，經(jīng)計(jì)算，內(nèi)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(tǒng)計(jì)圖中統(tǒng)計(jì)了25個(gè)數(shù)據(jù)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(nèi)切圓宏孔孔徑測(cè)量結(jié)果（mm）

3.4 內(nèi)連接

3.4.1 內(nèi)連接徑

按照?qǐng)D5選擇內(nèi)連接徑的測(cè)量位置，測(cè)量數(shù)據(jù)共計(jì)25個(gè)，不同平面孔內(nèi)連接徑的采集數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示，經(jīng)計(jì)算，孔內(nèi)連接徑均值為（0.137±0.090）mm?？變?nèi)連接徑分布如圖12所示，統(tǒng)計(jì)圖中統(tǒng)計(jì)了25個(gè)數(shù)據(jù)的分布情況，其中，內(nèi)連接徑尺寸主要集中在0.05～0.20 mm 之間。

圖12 內(nèi)連接徑分布示意圖

表4 多孔樣件各平面孔內(nèi)連接徑測(cè)量結(jié)果（mm）

3.4.2 連通性

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

3.5 開(kāi)/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(jì)算多孔樣件開(kāi)孔率為64.40%，閉孔率為0.15%。

圖13 樣件開(kāi)/閉孔分布

4 討論

3D打印外科植入物多孔結(jié)構(gòu)幾何特征參數(shù)對(duì)其在體內(nèi)的服役性能的影響至關(guān)重要，在充分調(diào)研國(guó)際及國(guó)內(nèi)相關(guān)測(cè)試方法后，發(fā)現(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)雖然提到了測(cè)試方法，但僅說(shuō)明了可能采用的相關(guān)測(cè)試設(shè)備，并無(wú)明確的測(cè)試步驟，同時(shí)對(duì)每種測(cè)試設(shè)備的測(cè)試難點(diǎn)及是否可行沒(méi)有明確的結(jié)論，且目前國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)具體測(cè)試方法的研究?；诖?，本文開(kāi)展了多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、微孔孔徑、宏孔孔徑、連通性測(cè)試方法的研究，測(cè)試方法參考了YY/T 1558.3-2017[21]和GB/T 36984-2018[22]。通過(guò)對(duì)測(cè)試方法中檢測(cè)難點(diǎn)的剖析，形成了一套多孔結(jié)構(gòu)形貌的具體量化測(cè)試方法，且該方法具有科學(xué)性和可操作性，可適用于大部分多孔結(jié)構(gòu)樣件。

在孔隙率的測(cè)試方法上，本文還對(duì)Micro-CT掃描數(shù)據(jù)分析得到的三維孔隙率和稱重法實(shí)測(cè)測(cè)量值進(jìn)行比較，結(jié)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(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為0.35%，表明通過(guò)三維分析能有效反映多孔結(jié)構(gòu)孔隙率。相比以上2種測(cè)試方法，Micro-CT掃描數(shù)據(jù)分析法無(wú)需分別提供實(shí)體和多孔樣塊，且無(wú)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(shí)對(duì)YY/T 1558.3-2017[21]中未涉及的開(kāi)/閉孔率進(jìn)行了測(cè)試方法研究。開(kāi)/閉孔率作為多孔結(jié)構(gòu)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，食品藥品監(jiān)管總局發(fā)布的《總局關(guān)于發(fā)布鈣磷/硅類骨填充材料等3項(xiàng)注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》[20]中也提及了該內(nèi)容，因閉孔對(duì)于骨長(zhǎng)入是無(wú)效的，則該項(xiàng)目可作為多孔結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的研究?jī)?nèi)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(jié)過(guò)程，表面會(huì)形成微米級(jí)的多孔結(jié)構(gòu)，Micro-CT目前可以最小分辨亞微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，但受分辨率限制，需要嚴(yán)格限制送檢樣件的宏觀尺寸以達(dá)到良好的觀測(cè)效果，如期望最小觀察1 μm左右的微孔結(jié)構(gòu)，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(guò)最小微觀特征的1000倍，這給樣件制備帶來(lái)較大困難[25]。而使用掃描電鏡觀察微孔結(jié)構(gòu)時(shí)，受設(shè)備限制，觀測(cè)樣件以薄片效果最佳，并且僅可觀察樣件表面形貌，無(wú)法觀察樣件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)形態(tài)。因此目前對(duì)于3D打印陶瓷樣件內(nèi)部微孔的檢測(cè)，仍存在諸多困難，具體檢測(cè)方法的選擇應(yīng)根據(jù)樣件具體性能及特征尺度觀測(cè)需求進(jìn)行合理選擇。

5 結(jié)論

本研究主要面向3D打印多孔結(jié)構(gòu)陶瓷材料外科植入物，通過(guò)對(duì)不同測(cè)試方法的理論對(duì)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(jìn)行3D打印多孔結(jié)構(gòu)陶瓷樣件的孔隙結(jié)構(gòu)的宏微觀特征表征和分析的統(tǒng)計(jì)方法，形成了一套3D打印多孔結(jié)構(gòu)陶瓷材料外科植入物形貌宏微結(jié)構(gòu)尺寸特征的有效的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法。本文提出的方法，有利于實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)宏微觀特征的相關(guān)測(cè)試內(nèi)容和試驗(yàn)過(guò)程的規(guī)范統(tǒng)一，確保測(cè)試過(guò)程方法有據(jù)可依，結(jié)果評(píng)價(jià)準(zhǔn)確有效，有利于提升產(chǎn)品的加工精度，便于不同企業(yè)同種工藝制造的多孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間等同比較，并可為醫(yī)療器械行業(yè)多孔結(jié)構(gòu)宏微觀特征的數(shù)據(jù)積累奠定基礎(chǔ)，有利于提高與人體生命安全息息相關(guān)的外科植入物產(chǎn)品的研發(fā)和制造水平。