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020-29820-234
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| 增材制造技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應用實現(xiàn)了骨科植入器械復雜的結(jié)構(gòu)設計，如多孔結(jié)構(gòu)、解剖部位匹配等，為骨科植入器械的生產(chǎn)工藝提供了新的選擇。然而，因工藝及原材料的改變，在采用金屬粉末的增材制造打印工藝過程中常會出現(xiàn)粉末熔融不徹底或打印完成后粉末在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上附著等情況，從而引入了新的生物學風險。因此，為使產(chǎn)品具有良好的生物相容性，生產(chǎn)企業(yè)應為增材制造植入器械制定有效的清洗工藝過程，并建立保證清洗有效的清洗評價標準，對于采用后處理工藝的產(chǎn)品，還會有其他不溶顆粒物質(zhì)引入，因此對包括原材料粉末、噴砂介質(zhì)和其他碎屑的殘留不溶顆粒檢查是評價產(chǎn)品清洗工藝的一個重要指標。本文圍繞金屬增材制造骨科植入醫(yī)療器械，對其不溶顆粒殘留評價方法及相關(guān)影響因素進行研究，并總結(jié)了對不溶顆粒殘留評價過程中應關(guān)注的技術(shù)問題。 一、不溶顆粒殘留評價方法 目前對于不溶顆粒殘留的評價方法還沒有相適應的國家及行業(yè)標準，基于增材制造技術(shù)的工藝特征，目前可考慮采用的評價方法有光學檢查、顯微鏡檢查、Micro-CT檢查等。 （一）光學檢查法 若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的單元晶格排列允許全厚度光透過，可測定重復單元晶格的多孔結(jié)構(gòu)中殘留不溶顆粒的存在。 a) 對齊部件，使單元的常規(guī)開放空間與光源和成像設備對齊。光源可以是燈臺或光纖燈； b) 使用顯微鏡聚焦功能確保開放空間的清晰可視化。堵塞或封閉的孔隙將被遮蔽并且可能表明殘留的材料被困在晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)； c) 可以對堵塞的孔隙進行可見區(qū)域觀察。 （二）顯微鏡檢查 用體視顯微鏡、金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡觀察樣品。 a) 較薄的多孔結(jié)構(gòu)（兩個孔徑及以下的厚度）可以進行無損觀察�？赏ㄟ^體視顯微鏡、金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡直接觀察殘留不溶顆粒； b) 較厚的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部可使用透明嵌入介質(zhì)嵌入，實現(xiàn)內(nèi)部顆粒物固定，用標準金相分析的方法進行切割，并通過金相顯微鏡或SEM圖像來量化殘留顆粒； 鑲嵌時應進行確認，以確保不會在切割過程中引入鑲嵌介質(zhì)的松散不溶顆粒。用無齒鋸或線切割沿指定位置切割出檢驗平面，觀察是否殘留不溶顆粒附著在器械上。 （三）Micro-CT檢查 在高度復雜的器械中存在殘留不溶顆粒，可采用Micro-CT評估。 a) 掃描分辨率應足夠高，以便能夠分辨出產(chǎn)品微孔結(jié)構(gòu)； b) 掃描方法和一致性會極大地影響對不同零件或批次準確復制成像測試的能力。掃描方法和后處理應在相同設計和材料的樣本之間保持一致。應使用標準參考材料定期進行掃描校準； c) 應使用標準化和經(jīng)過驗證的程序?qū)呙钄?shù)據(jù)的閾值進行處理，以最大限度地提高部件材料、殘留不溶顆粒與周圍介質(zhì)之間的對比度，并使用經(jīng)過驗證的程序?qū)纱嬖诘膫斡斑M行去除。在對固體組分邊界處的閾值進行處理期間需要特別注意。 我們對上述方法進行了驗證研究，在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，上述方法都具有相應局限性。光學檢查法僅能確認是否有殘留不溶顆粒存在，不用于表征材料是否完全固化在結(jié)構(gòu)中，也無法確定在正常使用中是否容易脫落，這些方面的評價可采取其他分析方法；顯微鏡檢查法可觀察表面凹凸結(jié)構(gòu)或金相平面的形貌，適合觀察微小結(jié)構(gòu)，如多孔梁上附著的微小未熔融顆粒。采用顯微鏡觀察，顯微圖像形貌應可明確區(qū)分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和殘留不溶顆粒的特征。若使用透明嵌入介質(zhì)，應注意介質(zhì)的適用性，如介質(zhì)的可嵌入性；在采用Micro-CT檢查時，生產(chǎn)企業(yè)應選擇與產(chǎn)品相適應的Micro-CT設備進行檢測，應保證獲得清晰的圖像，為保證結(jié)果的準確性，可考慮如設備、圖像質(zhì)量等方面的要求。 對不溶顆粒殘留情況的評價需結(jié)合產(chǎn)品特點選擇相適應的評估技術(shù)，若上述方法不足以反映殘留不溶顆粒物去除情況應考慮采用其他評估技術(shù)進行分析。 二、不溶顆粒殘留評價考慮因素 （一）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了其是否存在不溶顆粒殘留，若為實體結(jié)構(gòu)，不溶顆粒只存在于表面，清洗更容易去除；若為多孔結(jié)構(gòu)，則多孔結(jié)構(gòu)的孔徑、孔隙率、結(jié)構(gòu)單元設計以及打印方式都會對產(chǎn)品孔隙結(jié)構(gòu)的致密性產(chǎn)生影響，從而影響產(chǎn)品清洗的難易程度。因此，應結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和不溶顆粒形態(tài)、尺寸等特點，分析產(chǎn)品能清洗出殘留不溶顆粒的可能性。 （二）不溶顆粒殘留種類的明確 清洗方法的確定取決于工藝引入的需清洗的物質(zhì)，因此對清洗效果及不溶顆粒殘留的評價應先明確工藝引入的不溶顆粒或新形成的不溶顆粒，目前對于增材制造及后處理工藝產(chǎn)生在制造部件（器械）中的不溶顆粒物質(zhì)包括原材料粉末、噴砂介質(zhì)和其他碎屑等。這類物質(zhì)不只游離在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，還可能因為工藝的原因與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面接合，可能在清洗過程中發(fā)生脫落，或在植入人體后脫落。原材料粉末通常為球形，尺寸分布窄，但經(jīng)燒結(jié)、熔化和后處理粉末顆粒的表觀形狀和尺寸會發(fā)生改變，通常在不溶顆粒殘留評價過程中很難將殘留的粉末材料與后處理和后續(xù)制造操作產(chǎn)生的顆粒物區(qū)分開來。因此，生產(chǎn)企業(yè)在進行不溶顆粒殘留評價時，應該明確加工工藝過程中所引入的物質(zhì)，以及最終打印完成后可能殘留的物質(zhì)，針對其組成、形態(tài)等特征選擇與之相適應的不溶顆粒殘留評價方法。 （三）不溶顆粒殘留的分析研究 在明確和區(qū)分殘留不溶顆粒的種類、大小、形態(tài)后，確定殘留不溶顆粒在產(chǎn)品中可能存在的部位，如由于金屬粉末粒徑小，粉末殘留可能會滯留在產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，或在構(gòu)建期間緊鄰組件的粉末部分地燒結(jié)到表面。對殘留粉末與產(chǎn)品的接合情況進行分析，包括游離粉末或非游離粉末，對非游離狀態(tài)的粉末殘留應進行脫落風險評價。若產(chǎn)品進行清洗以后，發(fā)現(xiàn)無法將不溶顆粒殘留完全去除，則應對剩余不溶顆粒殘留是否會在產(chǎn)品植入人體后引發(fā)炎癥反應進行分析，若不會引發(fā)反應，這些不溶顆粒殘留實際上也是可以接受的。 三、總結(jié) 對金屬增材制造骨科植入器械不溶顆粒殘留的去除是每個研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)和科研機構(gòu)必須面對的問題，通常金屬增材制造骨科植入器械的清洗過程是先利用高壓噴射的方式去除內(nèi)部殘留未熔的金屬粉末，然后再利用高壓水沖擊方式或超聲波震蕩方式對剩余的金屬粉末進行清洗，經(jīng)過多次清洗去除不溶顆粒。目前增材制造技術(shù)在醫(yī)療器械行業(yè)的日益突出，為有效降低金屬增材制造骨科植入器械臨床使用風險，不斷完善相應生產(chǎn)質(zhì)量管理體系是對產(chǎn)品質(zhì)量的基本保證，建立科學、有效的清洗過程是對產(chǎn)品質(zhì)量保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 對不溶顆粒殘留的評價可用于對清洗效果的評價，生產(chǎn)企業(yè)既需根據(jù)產(chǎn)品特點判定不溶顆粒殘留評價方法的適用性，還需確認不溶顆粒殘留評價方法對其識別是否有效。結(jié)合金屬增材制造骨科植入器械的結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)有的清洗工藝，加快科學、有效、標準的不溶顆粒殘留評價方法的建立，一方面可用于引導生產(chǎn)企業(yè)解決相關(guān)技術(shù)瓶頸，另一方面幫助加強質(zhì)量體系的過程控制。總之，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量是降低產(chǎn)品臨床風險的重要措施。 |
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