15 “传统”聚合物医疗器械：体外 分析
L. Altomare* †,S. Far`e* †*化学、材料与化学工程系“G.Natta”，米兰理工大 学，米兰，意大利， †意大利国家材料科学与技术联盟，意大利国家材料科学 与技术联盟，米兰理工大学分部，米兰，意大利
15.1引言
用于修复医学的医疗器械主要由传统生物材料制成，这些材料也见于其他工程 领域（如机械、汽车、航空航天、食品）。对于生物医学应用，特别是长期植 入式器械，所需的主要特性包括足够的机械性能（如强度和韧性）、良好的化 学稳定性和热稳定性。如果器械所用材料的结构未能在必要时间内保持稳定， 植入物可能会出现性能下降，从而需要取出并重新植入新设备，给患者带来疼 痛并增加医疗成本。
所有用于疾病治疗或诊断的生物医学设备均受到政府监管机构（例如美国 食品药品监督管理局，FDA）[1]的监管。此外，国际和国家标准为材料和产 品的有效设计与评估（如理化和力学表征、所用生物材料的生物安全性、临床 前测试、临床试验）提供了框架，以在上市前进行规范。然而，设备仍表现出 多种性能问题，因此很难通过单一的设备监管体系涵盖所有潜在的性能问题、 失效模式和不良事件。此外，类似的性能问题（如起搏器过度感知）可能具有 不同的根本原因，其中一些可能在临床上显现（如乳腺植入物破裂），而另一 些则可能不会。尽管在临床使用前的临床试验可提供有关故障率和时间的一些 信息，但在试验期间对这些故障发生可能性的信息仍然有限。
当植入部件发生失效时，确定可能的原因至关重要，以防止未来出现类似 故障并改善患者预后。根据FDA[2],，“产品设计和制造过程控制中的缺陷 导致了超过一半的产品召回。质量问题的根本原因与设备类型密切相关。” 需要改进可植入材料的性能，使植入物能够更好地抵抗各种可能的降解和失效。
因此，对取出的器械进行分析对于深入了解与植入材料相关的可能失效原因具 有意义。在接下来的段落中，将报告并讨论能够确定失效真正原因（而非 猜测）的严格分析方法，以及可用于查找根本原因的可能检测技术。
找出设备设计或生物材料的可能变化（如有必要），以防止再次发生故障。因 此，事实上，失效分析必须被视为产品设计和改进的组成部分。
15.2取出的器械的体外表征
植入式器械的设计、所选用的生物材料、制造工艺以及在人体使用前用于测试 的方案，均旨在最大限度地降低器械失效的可能性。在临床环境中，器械失效 通常涉及多种影响因素。例如，骨科假体（髋关节或膝关节）中可能引起过度 磨损或断裂的材料或设计缺陷，可能仅在年轻患者中才显现出来。此外，当患 者的抗凝效果降至临界点以下，或患有遗传性高凝状态疾病，或因心房颤动导 致局部血液淤滞时，人工心脏瓣膜可能发生血栓形成的倾向。确定植入物或其 他设备失效的原因及相关的机制，是通过一种称为植入物回收与评估的过程来 完成的。
设备可能会因为组件生物材料缺乏预期用途所需的理化特性、机械性能或生 物特性，或者未对这些性能进行测试而发生故障。例如，聚四氟乙烯对磨粒磨损 的耐受性差，不适合用于髋关节假体[3]和人工心脏瓣膜[4]，这一点只有在大量 临床使用后才被发现。此外，早期Starr‐Edwards笼球式心脏瓣膜中的硅胶球经 常在体内吸收血液中的脂质，从而发生膨胀并变得脆性，有时甚至断裂[5]。
充分且适当的植入物回收与评估需要采用分析方案以及非破坏性和破坏性 检测程序，对宿主和植入物的反应进行定量评估。用于植入物及周围组织评估 的技术（表15.1）应既针对设备设计又针对材料特性，从而能够收集定量数据， 进而提供材料、设计、机械、制造、临床和生物变量之间的相关性及因果关系。
若植入物评估未关注组织，则将导致评估不完整，无法理解宿主反应。
针对特定样品的适当评估技术可能存在互斥性，所选择的技术子集可能取 决于关键临床问题以及回收的植入物和周围组织样本的可用性和状况。通常， 用于评估宿主和植入物反应的分析方案和技术可分为两类：无损检测和破坏性 检测程序。只有在适当地列出和识别数据，并总结详尽的患者病史和X光片审 查后，才能确定用于植入物评估的分析方案和技术。此外，植入物评估技术大 多为破坏性的，这意味着必须破坏或改变植入物本身或其部分以及周围组织， 以获取所需信息。
一种针对取出的植入物的可能通用方法在图15.1中有所报道；一旦植入物从患者体内 取出，该设备将连同患者的临床信息（例如，年龄、植入日期和取出日期）一起送至研究实 验室
表15.1用于取出植入物评估的一些主要技术列表；特别是针对 聚合物装置的植入物研究技术
| 宿主组织评估技术 | 宿主组织评估技术 | |
|---|---|---|
|
生化分析
显微镜分析 X射线分析 其他 |
原子吸收分光光度法 酶组织化学 凝胶电泳 细胞基因表达的分子分析 原位杂交 组织学 免疫细胞化学 免疫荧光 免疫组织化学 免疫过氧化物酶 扫描电子显微镜 透射电子显微镜
放射自显影 放射照相术 微生物培养 形态计量学 | |
| 聚合物植入物评价技术 | 聚合物植入物评价技术 | |
|
表面分析
形态学分析 整体理化分析 机械性能分析 |
接触角测量 形貌分析
ATR‐FTIR ESCA EDAX SIMS 硬度 宏摄影 体视显微镜检查 光学显微镜 偏振光显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 FTIR 凝胶渗透色谱 差示扫描量热法 可提取性 原子吸收分光光度法 孔隙率分析 疲劳研究 爆破强度 顺应性研究 断裂分析 单轴力学试验 DMA 流变学研究 |
接触角测量 形貌分析
ATR‐FTIR ESCA EDAX SIMS 硬度 宏摄影 体视显微镜检查 光学显微镜 偏振光显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 FTIR 凝胶渗透色谱 差示扫描量热法 可提取性 原子吸收分光光度法 孔隙率分析 疲劳研究 爆破强度 顺应性研究 断裂分析 单轴力学试验 DMA 流变学研究 |
适应来自LewisG。全髋关节和膝关节置换术中的聚乙烯磨损。生物医学材料研究杂志1997;38(1):55–75 .
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 369
设备数据（例如，品牌、型号、尺寸）。然后进行宏观观察，如果设备被有机 组织包围，则需要去除组织；如果要对组织进行分析，则需将其处理用于组织 学观察，否则可通过酶处理去除该组织。随后，可使用光学、立体、扫描电子 显微镜（SEM）进行显微观察。如果设备由不同部件组成，则每个部件都需 要
| 设备到达 | 设备到达 |
|---|---|
| 临床数据收集 | 临床数据收集 |
| 宏观观察 | |
| 显微观察 | |
| — | — |
| Yes | |
| Yes | |
| 理化和 力学表征 | |
| 设备 被 组织？ | |
| 设备 由 不同 | |
| 部分组成？ | |
| No | |
| — | — |
| Yes | |
| Yes | |
| Yes | |
| No | |
|
370 聚合物生物材料表征
分离并进行分析。还可以进行机械测试，以确定材料在植入期间是否可能发生 降解。因此，对取出的植入物进行失效分析包括对器械组件（即用于器械制造 的生物材料）以及器械周围组织的检查。然而，本章节的最终目的是提供有关 取出的植入物调查的可能方法的想法，以分析失效的根本原因，并重点关注器 械制造中涉及的生物材料。因此，取出的装置周围组织的表征将不予考虑，相 关内容可参考其他教科书[6]。
在接下来的段落中，报告了两个实际例子，旨在详细说明对因体内失效而 回收的乳房假体材料以及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）部件在形态学、物 理化学和机械性能方面可能发生的变化进行研究的可能方法。此处报告的两个 例子可作为调查其他回收装置（如聚对苯二甲酸乙二醇酯或膨体聚四氟乙烯血 管假体、隐形眼镜）的有用方案参考。
15.3取出的硅胶乳腺植入物
硅酮已广泛应用于生物医学领域，用途涵盖体内液体导管到多种长期假体。其 中，硅胶乳房假体目前在全球范围内用于乳腺切除术后乳房重建以及美容性增 大[7,8]。特别是，硅凝胶填充乳房植入物主要由交联弹性体硅酮（即聚二甲 基硅氧烷，PDMS）壳层构成，内部包含交联程度较低的PDMS凝胶，其内聚 力可变（即交联度不同）。
乳房植入物耐久性是外科医生、患者和监管机构关注的重要问题。必须识 别并理解失效机制，以预测植入物寿命并改进植入物设计。在科学文献中，已 有若干研究报道了植入后发生的疾病和疼痛性并发症，其中包膜挛缩最为常见 [9,10]。其他研究涉及渗漏现象的生物学分析[11,12]或机体对植入物的生物学
反应[13–15]。由于近几十年来乳房植入物数量不断增加，大量研究[7,8,16–
23]通过形态学、理化和力学表征方法关注可能的失效原因。提出了不同的检 测技术以获取有关作为填充材料使用的硅胶壳和硅凝胶可能发生的降解信息。
表15.2列出了用于组织植入物表征的一些主要技术；例如，通过扫描电镜评估 壳层的形态，该形态可能影响纤维囊的形成，进而导致包膜收缩和疼痛等失效 情况。化学物理分析结合机械测试可研究PDMS凝胶吸收对壳厚度的影响，从 而评估其对乳房植入物性能的影响。
本节中，我们报告了一种基于适当建立的方案研究取出的乳房假体的实验方法， 该方案包括多种分析方法，旨在检测乳腺假体在使用期间可能发生的所有变化
[ldquo]传统[rdquo]聚合物医疗器械：离体分析 371
植入。对取出的乳房假体进行研究，旨在通过形态学和力学表征，评估体内生 物环境对乳房假体生物材料的影响，并评估取出的假体特性与患者临床数据 （如患者年龄、放射治疗、植入时间及假体型号）之间可能存在的相关性。数 据收集的目的是系统地整理每个取出假体的相关信息。因此，为每个样本建立 包含所有实验数据的索引卡。每张索引卡分为四个部分，分别包含：
(1)临床数据；(2)宏观观察；(3)微观观察；(4)对壳层和 凝胶填充物的力学表征。
临床数据由手术人员提供，包括设备型号、植入时间、植入和取出原因、放射 治疗情况、患者年龄、患者生活方式（如是否为吸烟者），这些信息汇总于图 表中（表15.3）。这些信息可用于分析上述数据与实验结果之间的可能相关性， 下文将简要说明。
15.3.1形态学研究 15.3.1.1宏观观察
对每个假体的前侧和后侧、侧面轮廓以及其他重要的表面细节进行拍照。此外， 还特别关注一些宏观特征，例如颜色、一致性、斑点的存在、表面形貌和缺陷。
特别是通过肉眼观察，可以在表面（图15.2A–C）或壳层内部（例如气泡，
表15.2文献报道的用于乳腺植入物取出研究的主要技术
| 乳腺植入物 部件 | 检测技术 | Ref. | |
|---|---|---|---|
|
硅胶外壳
硅胶凝胶填料 |
扫描电子显微镜，SEM 用氯仿提取凝胶 溶胀度 核磁共振，NMR 薄层脂质渗透 色谱法
差示扫描量热法， DSC 拉伸试验 薄层脂质渗透 色谱法 NMR 流变学分析 |
[8]
[17,23] [7,18] [22] [20] [22] [7,8,17,18,21,23,35] [20] [22] [36] |
[8]
[17,23] [7,18] [22] [20] [22] [7,8,17,18,21,23,35] [20] [22] [36] |
372 聚合物生物材料表征
表15.3收集临床数据和取出的乳房假体特征的图表示例
| 临床数据 | 临床数据 | |
|---|---|---|
| 患者出生日期 植入日期 取出日期 植入时间 |
年/月/日 年/月/日 年/月/日
mm | |
| 植入物特征 | 植入物特征 | |
|
品牌 型目号录编号 重量（克）
体积（立方厘米） 突出度（厘米） 直径a(cm) 宽度b(cm) 高度b(cm) | 例如，艾尔建，曼托，赛宾 | |
| 其他信息 | 其他信息 | |
|
首次植入
化疗 放射治疗 吸烟者 |
是/否 时是间/否段
时是间/否段 是/否 |
是/否 时是间/否段
时是间/否段 是/否 |
a对于圆形植入物
直径
P ro je ct io n
.
b对于泪滴形（解剖型）植入物：A¼宽度；B¼高度；C¼凸度
A C
B
.
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 373
白色斑点，(B)有机残留物，(C)撕裂，以及 (D)壳层内部的气泡)
图15.2D），并通过手动触摸，参照先前设定的适当量表来定义植入物的一致性。
与对照假体（即未植入装置）相比可能出现的颜色变化（图15.3B和C）， 可使用适当的比色量表（图15.3A）进行评估，该量表将不同颜色（从白色到 深黄色）对应不同的评分（1到10分）。
15.3.1.2显微观察
宏观观察的结果可通过立体光学显微镜和扫描电镜进行更细致的检查。
通过立体光学显微镜可以更好地观察和记录斑点、撕裂和有机残留物。可 使用不同的放大倍数：低倍放大用于观察撕裂和大斑点（图15.4A和B），高 倍放大用于观察较小缺陷以及壳体表面评估中的表面纹理（图15.4C和D）。
用于扫描电镜检测的圆形试样（ؼ5mm）使用手动空心冲孔器在每个假体的前 后区域精确切割（图15.5A和B）。
硅胶外壳颜色评估用的比色量表。不同评分对应不同颜色；(B)对照装置 （评分¼1）；(C)取出的装置（评分¼8）)
大斑点，(B)生物残留物，(C)McGhan植入物的纹 理表面，以及(D)Sebbin植入物的纹理表面)
376 聚合物生物材料表征
然后对每个样品进行喷金处理，并在扫描电镜下观察。还可进行能谱（能量色散X射线）
微区分析，以检测表面的化学元素，特别是识别可能存在的沉积物的性质（图15.5C–
E）。
15.3.2力学表征
可以使用适当的测试仪器对PDMS壳和凝胶进行力学表征。事实上，为了研究 壳层机械性能的可能变化，可进行拉伸试验；并可使用流变仪来研究作为植入 物填充物的凝胶的黏度。在进行这些表征时，首先必须按照精确的步骤将壳层 与内部的填充凝胶分离（图15.6）。使用无菌外科手术刀沿假体形状周围进行 切割（图15.6A）。这样将假体的壳层分为前部和后部两部分，并从填充凝胶 上轻轻分离（图15.6B）。然后，使用乙醇清除壳层内表面残留的凝胶（图 15.6C）。对于使用低内聚性凝胶作为填充材料的植入物，特别建议进行此操 作。
取出的乳房假体正面和(B)背面图像：编号标识了用于扫描电镜观察的试样 取出区域；(C)假体表面检测到的图15.2A中所示位置的扫描电镜图像；能谱图显示存 在Cl(D)和Na(E)，可能与用于壳层表面纹理化的氯化钠晶体颗粒有关)
使用手术刀沿植入物的直径将壳层完全切开，(B)将壳层与填充凝胶分离，以及 (C)从壳层内表面清除凝胶)
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 377
壳层中的硅凝胶也可通过甲苯或氯仿萃取去除，如[7,17,18]中所述。之后，可 按照以下各节所述对壳层和凝胶进行表征。
15.3.2.1拉伸力学测试
进行机械性能测试时（更多信息参见第8章—聚合物生物材料的静态和单轴表 征），根据假体的尺寸和缺陷情况，从每个被测假体的壳层前侧和后侧至少切 取五个试样（图15.7A和B）。通过手动模具制备标距长度为20mm的哑铃形 样品（图15.7C和D）。由于从外到中心的厚度不同，从壳层后侧获得厚度均 匀的样品较为困难。
前部和(B)后部，(C)手动狗骨状模具，以 及(D)用于拉伸力学表征的狗骨状试样)
378 聚合物生物材料表征
拉伸试验可使用适当测试程序进行；文献中报道了不同的程序（表15.2）。
以下报告一种程序，作为示例：
l夹具压力¼1.5–2bar；若使用气动夹具，压力值必须适当，以确保仪器正常运行，
避免样品损坏、样品在夹持端附近断裂（压力过高时）或样品滑动（压力过低时）；l
预加载力¼0.5N；l预加载速度¼100mmmin1。l横梁速度¼200mmmin1；
对于每个样品，绘制应力/应变曲线，并可考虑以下力学参数：
l弹性模量，E；l在不同变形值下的割线模量（Esec100%，Esec200%，Esec300%，Esec400%， Esec500%，Esec600%，Esec700%），取决于断裂应变；l断裂应力和断裂应变。
对于每个假体的前侧和后侧，最终获得与所考虑的力学参数相关的平均值和标 准差值，从而可以比较取出的植入物之间的机械性能，以及同一设备前后两侧 的机械性能。
作为可能结果的一个示例，在图15.8中报告了回收装置的代表性应力/应 变曲线及其选定力学参数的数值。假体的前侧和后侧之间未检测到显著差异 （P>0.05），代表由于与生物环境的相互作用，机械性能未发生明显变化。
当对不同的假体进行评估时，可以对其力学行为进行可能的比较（图 15.9A），以研究例如力学参数与植入时间之间的可能相关性（图15.9B–D）。
事实上，在图15.9所示的示例中，从应力/应变曲线可以看出P4装置（图 15.9A）表现出与其他回收的植入物相比更高的刚度和断裂应力。当将断裂应 力与植入时间作图时（图15.9B），可以观察到一种相关性：较短的植入时间 对应较高的机械性能，而对于较长的植入时间，则可观察到数值下降，表明与 生物环境发生了相互作用。绘制E（图15.9C）和Esec值时（图15.9D），也可 观察到相同的行为。
15.3.2.2流变学分析
为了对硅凝胶进行机械测试，可以使用带平行板（直径¼20mm）配置的旋 转流变仪进行流变学分析，这种方法通常用于软凝胶、液体和溶液的机械表征。
有关流变学分析的更多信息，请参阅第10章—聚合物生物材料的流变测量。
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 379
下板固定在仪器底座上，并配备有帕尔贴元件，能够为测试设置适当的温 度（T范围： 40°C至+200°C）。上板可在垂直方向移动，以便将样品插入 仪器，并可旋转以对评估中的试样施加剪切应力。可从凝胶的不同区域取样， 以更好地研究植入物与生物环境相互作用的可能影响（图15.10C）。
第一步是使用刮刀将适量的硅凝胶置于已设定为25°C的流变仪下板上（图15.10 A）。然后，在两板之间设置1毫米间隙（图15.10B），并使用刮刀去除多余的凝胶
取出的乳房假体前侧和后侧拉伸力学性能的典型应力/应变曲线；(B)前侧和 后侧选定力学参数（弹性模量、100%、400%和600%应变下的割线模量以及断裂应力） 的比较)
380 聚合物生物材料表征
从上板外侧流出的部分被去除，以限制测试过程中可能产生的边缘效应。
可以对凝胶进行不同的测试；此外，分析可以在不同温度下进行，但为了 更好地模拟凝胶在体内的行为，建议采用体温（T¼37°C）。以下是三种可能 的分析方法，可用于获得储存模量和损耗模量（分别为G0和G00,）随角频率、 复数黏度（η*）以及剪切应力随时间或剪切速率变化的信息：
(1)振荡频率测试：设置振荡运动，频率从0.016到16Hz变化，对样品施加1%的变 形。获得G0 和G00 随角频率的变化趋势；(2)瞬态剪切应力测试：将剪切速率设定为 恒定的10s1。输出结果为 η*和剪切应力随时间的变化趋势。(3)剪切流动测试：设 置剪切速率在1到1000s1 范围内变化，并绘制复数黏度和剪切应力随剪切速率的变 化趋势。
例如，不同假体填充材料测试结果的输出如图15.11所示。特别地，在所分析的参 数中未检测到差异
硅凝胶样品在流变仪下板上的放置位置，(B)上板定位，两板之间保持1毫 米间隙，(C)彩色圆圈标示出采集凝胶样品的区域：黑色¼侧边区域，深灰色¼前后区 域，白色¼中心区域)
382 聚合物生物材料表征
频率（弧度/秒）
St or ag e m od ulu s( Pa )
0
(A) (B)
(C) (D)
(E) (F)
(G) (H)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20 40 60 80 100
频率（弧度/秒）
Lo ss m od ulu s( Pa )
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20 40 60 80 100
频率（弧度/秒）
St or ag e m od ul us (P a)
0 0
时间（秒）
C o m p le x v is co si ty ( P *a s)
0 100 200 300 400 500 600 700 0
剪切速率（1/秒）
s t r e s s ( P a )
0 200 400 600 800 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
剪切速率（1/秒）
s t r e s s ( P a )
0 200 400 600 800 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
50 100 150 200 250 300 350 400
时间（秒）
C o m p le x v is co si ty ( P *a s)
0 100 200 300 400 500 600 700 0 50 100 150 200 250 300 350 400
100 200 300 400 500 600 700 800 900
20 40 60 80 100
P4中央
P4上侧 P4下侧
P2中央
P2上侧
中央
lato
中央
lato
中央
lato
C中心
C侧面
P2侧下
频率（弧度/秒）
Lo ss m od ul us (P a)
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20 40 60 80 100
和P2(C,D)的G0 和G00 随角频率的变化；瞬态剪 切应力测试：P4(E)和P2(F)假体的 η*随时间的变化；剪切流动测试：P4(G)和P2(H)假体 的剪切应力随剪切速率的变化)
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 383
P4假体采集的试样之间（即凝胶填充物的中央部分和侧部）没有明显差异。
相反，对于P2假体，不同区域表现出不同的行为：与侧部相比，硅凝胶的中 央部分在施加恒定或可变剪切速率时，表现出更高的剪切应力和更大的黏度 （即更高的内聚力）。由于该假体接受了放射治疗，电离辐射可能作用于凝胶 的侧部，导致黏度降低，从而降低了凝胶的内聚力。
15.4骨科用超高分子量聚乙烯回收部件
全髋关节和膝关节置换的数量每年都在增加，因此，为了改善临床结果，新的 材料和治疗方法正在不断被开发。人工关节表面承受高负荷和大范围的活动 （图15.12A和B），在界面处润滑条件相对较差，从而产生严苛的工作环境， 可能导致大量磨损碎屑的产生。因此，磨损颗粒会在假体周围组织中引发非生 理性的炎症反应，最终可能导致植入物因无菌性松动而失效[24–26]。
384 聚合物生物材料表征
超高分子量聚乙烯是耐磨性最好的聚合物材料之一，但其优异的摩擦学性 能可能因氧化降解而降低。氧化会导致超高分子量聚乙烯机械性能显著下降， 尤其是耐磨性（图15.12C和D）。在考虑假体设计和尺寸、手术入路及其他临 床因素的同时，还需综合考虑与材料相关的多种因素（如超高分子量聚乙烯粉 末质量、分子量、加工、灭菌方法和储存）[27]。文献中已有大量关于髋关节 和膝关节部件的回收研究[28–30],旨在通过不同的检测技术将植入物失效与材 料性能相关联。
以下段落报告了一项关于取出的超高分子量聚乙烯部件研究的实际示例。
在翻修手术后，每个取出的部件必须立即用蒸馏水清洗，浸泡在乙醇中60分 钟，风干后储存在气体不渗透包装中。医务人员需为每个回收的超高分子量聚 乙烯部件填写表格（表15.12C和D），以寻找这些数据与实验结果之间的可能 相关性。完成数据收集后，可进行下文所述的表征。
15.4.1形态学研究
可对超高分子量聚乙烯部件进行不同的形态学研究，从肉眼观察到扫描电镜分 析，具体取决于待分析的缺陷。以下各节简要描述了主要的形态学分析方法。
表15.4收集临床数据和取出的超高分子量聚乙烯部件特征的图表示例
| 超高分子量聚乙烯部件 | 超高分子量聚乙烯部件 |
|---|---|
|
植入物类型
型品号牌 | HIP KNEE |
| 临床数据 | 临床数据 |
| 植入日期 取出日期 取出原因 取出后储存时间 取出后储存环境 | 年/月/日 年/月/日 |
| 植入物特征 | 植入物特征 |
| 股骨头直径 股骨头材料 金属背衬存在与否 | |
| 患者数据 | 患者数据 |
|
患者出生日期
Sex 体重（公斤） | 年/月/日 |
| 其他信息 | 其他信息 |
15.4.1.1光学分析
每个回收部件的关节面均可通过光学检查来评估损伤类型和位置。随后，根据 对超高分子量聚乙烯损耗的定性观察，使用一个adhoc量表将回收部件按磨损 程度分为“严重”、“中等”和“不可检测”。在表15.5中，列出了四个回收 髋臼杯的示例及磨损范围，并通过图15.13所示的宏观图像予以证实。
E3，(B)E4，(C)E5，和(D) E6)
表15.5四个取出的髋臼杯磨损评估示例
| ID | 总体评估 | |
|---|---|---|
|
E3
E4 E5 E6 | 严重磨损 中等磨损 不可检测磨损 不可检测磨损 | 严重磨损 中等磨损 不可检测磨损 不可检测磨损 |
386 聚合物生物材料表征
15.4.1.2显微镜分析
超高分子量聚乙烯部件可用光学立体显微镜进行检查，放大倍数范围为5至 50。不同磨损模式的评估采用霍德等人[31],报道的方法并加以修改，此处 简要描述如下。每个部件的承重面被划分为不同区域，对每个区域检查其损伤 模式、严重程度和损伤范围（图15.14A和B）。在图15.14C中，通过对回收的 植入物进行显微分析的结果可揭示部件上可能发生的降解机制。特别是，可以 将先前整体磨损情况（表15.5）与立体光学显微镜分析结果（图15.14C）相关 联。
胫骨垫片承重面的磨损区域，(B)髋臼杯顶部及所选三个磨损区域的横截 面视图，以及(C)回收部件上发生的降解机制)
[ldquo]传统[rdquo]聚合物医疗器械：离体分析 387
羰基含量。从先前在部件不同区域获取的加工圆柱形试样中取得薄的超高分子 量聚乙烯切片（图15.15）。使用切片机从关节面开始，向杯内3毫米处连续获 取平整的薄聚合物切片（厚度约为 180 μm）。如果发生严重磨损，由于材料 缺失（即回收部件厚度较低），无法在浅层进行傅里叶变换红外光谱分析。
通过计算每个切片的氧化指数（OI）和表面氧化指数(SOI)，并与未植入 部件的相应数值进行比较，以研究可能在体内发生的氧化。OI定义为1650至 1850cm1处吸收峰（羰基带）面积与1330至1396cm1,处用作参考峰的吸 收峰面积之比（图15.16A），使用以下方程：
OI¼ A 16501850 ð Þcm1
A 13301396 ð Þcm1
例如，在图15.16B中，报告了四个取出的超高分子量聚乙烯髋臼杯的氧化指数 （OI）随距承重面距离的变化情况。可以看出，对于回收的E3和E4部件，由 于观察到严重和中度磨损，表面下深度达1000和 1700 μm处的OI值较高；而 相比之下，对于观察到不可检测磨损的E5和E6部件，OI值较低且随深度保持 恒定。
15.4.3力学表征
可在超高分子量聚乙烯部件上进行不同的力学表征试验，以研究聚合物降解对 磨损行为可能造成的影响。特别是，某些机械测试旨在
388 聚合物生物材料表征
找到超高分子量聚乙烯（UHMWPE）力学行为的定量值（例如小冲孔试验）， 以及其他模拟UHMWPE部件在体内所受机械循环载荷的试验（例如销盘试验、 销平面试验、髋关节模拟器）。本文报告了文献中描述的两种机械测试，作为 一种可能的实验方法。
15.4.3.1小冲压试验
根据ASTMF2183‐02国际标准，超高分子量聚乙烯部件的机械性能可通过小冲 punch测试技术进行评估。从髋臼杯或胫骨垫片获取的圆柱形超高分子量聚乙烯试样 需经过精细加工以
超高分子量聚乙烯的傅里叶变换红外光谱：两个框中显示了所考虑的谱带； (B)回收部件的氧化指数（OI）随深度的变化)
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 389
制备 500 μmm厚的圆盘形试样（直径¼6.4mm），取样起始位置距关节面 0.2mm[32,33]。尽管圆盘数量受部件厚度限制，但每个部件至少需进行三 次小冲压试验，具体取决于损伤严重程度。微型圆盘试样由以恒定速度移动的 半球形冲头施加应力，冲头持续穿透试样直至其断裂。试验过程中连续记录作 用在冲头上的载荷及冲头位移。小冲压试验参数，即峰值载荷、极限位移、极 限载荷和断裂功，可表征超高分子量聚乙烯在多轴加载条件下的屈服、极限强 度、延展性和韧性（图15.17）。此外，可通过扫描电镜分析来判断试样发生 的断裂类型（如韧性或脆性）。
例如，在图15.18和15.19中报告了从回收的超高分子量聚乙烯部件中取出 的不同试样的测试结果。载荷/位移曲线（图15.18A）和力学参数值（表15.6） 表明，力学行为因回收部件的降解情况不同而有所差异。特别是对于E6植入 物，由于未检测到降解（例如通过光学观察和傅里叶变换红外光谱），其力学 行为在不同深度下均相同；而对于E4，则在表面和次表面表现出两种不同的 行为。小冲压试验行为通过试样断裂的扫描电镜观察得到证实（图15.19）。
15.4.4体外磨损测试
耐磨性可通过销盘试验来评估，其中超高分子量聚乙烯销在金属圆盘上按照 F732‐00ASTM标准描绘出确定的轨迹（图15.20A和B）。可使用
–10 0 0 1 2 3 4 5
10 20 30 40 50 60 70 80
Lo ad [N ]
位移[mm]
峰值载荷 断裂时的数值
断裂功
390 聚合物生物材料表征
商用销盘磨损试验机。从取出的样品中获得的每个圆柱体的不规则表面必须经 过加工，以获得一个平坦的圆柱形销。在磨损试验中，这些销可以与高度抛光 的钴铬钼平盘试样（例如，直径45毫米）配对，模拟体内的承重面。
可以考虑不同的载荷范围，以模拟假体可能经受的各种体内条件。其中， 施加25至250牛顿之间的可变载荷，对应的接触压力范围为0.4–4MPa[34]。
频率为0.5赫兹，并采用长度11毫米的8字形磨损路径（图15.20C）。使用25 %蒸馏水溶液的牛血清溶液作为润滑剂，以更好地模拟体内条件。磨损试验进 行至25万次循环；通过F2025‐00ASTM标准中详述的重量法测定磨损量。具 体而言，每个测试样品的磨损率通过将总重量损失除以循环次数计算得出，如 下所示：
wear rate¼ total weight loss number of cycles
0 0
(A)
(B)
1 2 3 4 5
20 40 60 80 100 120
[mm]
[N ]
0 0 1 2 3 4 5
20 40 60 80 100 120
[mm]
[N ]
E6和(B) E4表面（灰色）及E4次表面（黑色))
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 391
例如，在图15.21中，报告了四种取出的超高分子量聚乙烯的磨损率，结果与 之前表征得到的结果表现出良好的相关性。事实上，当氧化指数较低时，发现 磨损率也较低（图15.21，E5和E6）；相反，当表现出较高的氧化指数时，销 盘试验中显示出较高的磨损率。
3 mm
3 mm 3 mm
(A)
(B)
3 mm 3 mm
(D) (E)
(C)
E3，(B)E4表面，(C)E4次 表面，(D)E5，和(E)E6)
392 聚合物生物材料表征
表15.6回收部件的小冲压试验结果
| 回收 部件 | Peak 载荷(N) |
极位限移
(mm) | 最（终N） | （断裂mJ功） | |
|---|---|---|---|---|---|
|
E3 E4表面
E4次表面 E5表面 E5次表面 |
nd
nd nd 75.9 65.4 31.3 21.1 78.5 81.5 |
3.70.1
<1.1 <1.2 2.8 <2.6 <2.0 <2.2 4.4 4.5 |
94.87.5
<40.4 <29.1 28.1 <65.4 <31.3 <21.1 40.2 36.3 |
258.721.4
32.4 27.4 149.6 76.9 33.8 25.3 251.7 266.9 |
258.721.4
32.4 27.4 149.6 76.9 33.8 25.3 251.7 266.9 |
超高分子量聚乙烯
pin
(A)
(B) (C)
钴铬钼盘
“传统”聚合物医疗器械：离体分析 393
0,0E+00 E3 E4 E5 E6
1,0E‐08
2,0E‐08
3,0E‐08
4,0E‐08
We ar rat e[ g/c icl o]
15.5结论
在本章节中，讨论了对取出的器械进行表征的重要性，并阐明了对回收的植入 物必须进行的可能表征。特别地，报告了两个示例，以更好地展示可用于研究 器械形态学、理化和机械性能的分析方案。失效分析的最终目的是寻找表征结 果与临床数据（例如植入时间、植入物型号）之间的可能相关性，并通过修改 设计或材料来提升器械性能。
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