骨科植入物概念
骨科植入物
隨著人類的平均壽命逐漸增長，骨骼的老化日漸成為愈發關注的問題。人們希望在老年時仍能保持骨骼的潤滑性，醫用植入物的使用使得存在上述問題的患者過上了積極的生活，從而使人們更加重視醫用植入物的發展。其中包括人工膝關節和髖關節、骨板和螺釘，所有這些都是由鈦和鈷鉻合金制成的，因為它們具有很高的耐用性。
這些組件也可以涂上羥基磷灰石（HA）涂層，以優化植入物的表面性能特征，同時保持底層基材的機械性能。陶瓷涂層通常具有較粗糙的表面，有助于組件與人體組織的機械聯鎖[3]。有幾種合金可用于骨科植入物；然而，鈦及其醫用級合金因其生物相容性而被優選。
羥基磷灰石（HA）由于其組成與骨骼的無機成分相似而提供了一個生物相容性的表面，可作為骨骼細胞可以附著、遷移和生長的支架，從而增強骨骼的內向生長。涂層還有助于減少植入物周圍的骨溶解。針對羥基磷灰石（HA）涂層的主要分析是涂層厚度和其與鈦基材之間的附著性能評估。這些涂層是通過熱噴涂工藝涂覆的。
總之，應用于醫療組件上的合金由于其在研磨/拋光階段存在極高可能性的結構變化甚至損壞，對于金相制樣提出了挑戰，需要謹慎選擇合適的工藝。常見問題包括油污染、劃痕和機械變形既很難消除同時影響測量準確性。
常規制備流程
切割-精密切割機
切片前的鑲嵌為具有固有孔隙率的涂層提供了額外的強度。這也允許填充孔隙進行空隙率分析。在光學分析過程中，還可以加入染料來增強對比度。
無涂層的剛性部件，如髖關節鈦假體，可以直接使用較大的砂輪切割機進行切割，并采取預防措施以防止樣品損壞。應使用適用于鈦合金的金剛石刀片或推薦的有色金屬磨料刀片進行切割。切片后，如果是陶瓷涂層樣品，則可以重新鑲嵌樣品，對于未涂層樣品，則分別使用澆注和熱壓方式進行鑲嵌。
鑲嵌
對于涂層樣品，可使用多種低粘度固化環氧樹脂，其中包括EpoKwick FC和Epothin 2，后者具有較長的固化時間，但通常需要較低的峰值放熱溫度。
低粘度樹脂是優選，因為他們能夠滲透到涂層填補空隙和其他相互連接的多孔形態。如果要在較短時間內制備大量樣品，EpoKwick FC將是優選樹脂。為了減輕冷鑲嵌樹脂的高磨損率，可以借助圓形金屬環或酚醛環形式鑲嵌樣品，以確保達到平整度。將陶瓷粉末添加到環氧樹脂底座中可降低研磨過程中的磨損率，從而更好地支撐試樣邊緣，并產生更平整的試樣。冷鑲嵌樣品的研磨平整度和均勻性也可以通過在研磨/拋光步驟中選擇中心力磨拋來實現。為確保環氧樹脂更好地浸入涂層樣品的空隙或孔隙中，使用真空系統（如SimpliVac）有助于消除可能在樹脂/植入物界面上形成的氣穴，并確保浸入涂層中。無涂層樣品，如人工髖關節、骨板和緊固件，通常可以使用熱鑲嵌機（如SimpleMet 4000）進行鑲嵌。建議使用能夠確保良好邊緣保持和低磨損的樹脂，如EpoMet G或F。對于無涂層樣品，也可以使用丙烯酸樹脂，如Varidur 200、Varidur 3003，它們具有良好的耐磨性和拋光率。
研磨拋光
傳統的樣品制備方法需要漫長而繁瑣的步驟來揭示組件的真實微觀結構。現代方法是通過對磨削和拋光中材料去除原理的深入理解而發展起來的。這些方法考慮了初始剖面損傷以及每一步如何降低損壞程度及其相應的殘余結構損壞。這種技術被稱為Z軸閾值，圖1，通過確保有效的方法選擇，可以縮短準備過程。
上圖展示了基于逐步去除變形及其相關的殘余損傷隨時間變化的制備流程的開發和優化的z軸曲線。Z軸曲線將切割后需要去除的總變形關聯起來，如圖1中W1和W2級所示，作為時間和逐步Z軸移除的函數。對于*終損壞等級為W1的切割片，上圖說明了可用于消除所有結構損壞的4步程序（A到D）。當通過考慮切割片厚度、進給速度、正確的冷卻液方向以*大限度地減少熱量積聚和夾緊來正確進行切割時，殘余變形的水平可以低至W2級所示的水平。當損傷等級為W2時，2到3步程序（C到D）足以揭示真實的微觀結構。這是下面列出的適用于醫療組件的不同材料類型和組合的程序的基礎。
不同材料具體制備方案
陶瓷涂層金屬部件
這些合金上的陶瓷涂層可以是氧化鋯、氧化鋁或微晶玻璃等。*常用的是羥基磷灰石（HA）涂層，但也可以采用磷酸三鈣和其他磷酸鈣。由于這些涂層是通過熱噴涂技術涂覆的，因此其孔隙率、厚度和涂層/基體界面是應檢查的關鍵金相參數。
表1.醫用級鈦合金Ti6Al4V上鈦/HA涂層的金相制備程序
注1：步驟1，在研磨40-50秒后更換砂紙
注2：對于冷鑲嵌試樣，使用酚醛樹脂或金屬環來輔助磨平或使用中心力模式
(A)和(B)所示為一種由鈦(基質)制成的髖臼杯
(C)顯示了截面用環氧樹脂封裝的樣品
(D)顯示了重新鑲嵌的切割樣品
上圖(A)和(B)顯示了一個由鈦制成的髖臼杯，由鈦（基質）制成，通過熱噴涂的方式涂有鈦和羥基磷灰石涂層。(C)顯示了截面用環氧樹脂封裝的樣品，髖臼杯采用環氧樹脂進行冷鑲嵌，以便于操作，并在切片前保護涂層，然后在50mm的模具中重新鑲嵌，以便于半自動制樣。(D)顯示了重新鑲嵌的切割樣品，準備進行研磨/拋光步驟。
(A)拋光后的表面亮場圖像
(B)拋光后用偏振光觀察
上圖所示為髖臼杯的拋光樣品，清楚地顯示了基體的基質，通過噴砂作用觀察到的夾帶SiC顆粒的界面，以粗化基體并改善與熱噴涂涂層的機械聯鎖。(A)顯示了拋光后的表面亮場圖像，Ti6Al4V基板和熱噴涂的鈦和羥基磷灰石；(B)顯示了拋光后用偏振光觀察，合金和噴涂鈦的微觀結構。從圖中的微觀結構可以明顯看出，羥基磷灰石（HA）涂層很好地粘附在上層，并且偶爾在熔融鈦粘結涂層周圍呈現針狀卷曲形態。
表2.不銹鋼基材上陶瓷涂層金相制備的通用方法
對于有涂層或無涂層的不銹鋼基材，與表1中的制備程序相比，可以采用表2中的制備程序，該程序包括一個3μm的金剛石懸浮液磨拋，可以幫助去除損壞。
金屬部件-鈦及其合金
這些合金由于形成了變形的表面層而難以制備，由于合金對溫度和冷加工的敏感性，切割損傷是一個常見的問題。這種變形會導致晶粒孿晶和應變誘導相變結構，而高溫會導致相分布的變化。對于鈦，使用較細的金剛石懸浮液引起大的變形很難被消除。使用氧化物拋光(如MasterMet)進行化學機械拋光，可有效去除這種殘余變形。鈦及其合金的典型制備程序如表3所示。
表3. 鈦及其合金的通用制備方案
在*終拋光步驟中，也可加入侵蝕拋光劑，以消除殘余變形，該拋光劑由1份35%的過氧化氫與5份MasterMet混合而成的懸浮液組成，即0.06um大小的膠體二氧化硅懸浮液。下圖(A)顯示了用偏振光觀察鈦合金Ti6AI4V基材的微觀結構，以及同一區域的微分干涉對比顯微鏡(B)的浮凸細節。
(A)用5份Mastermet和1份過氧化氫溶液拋光的Ti64Al表面；
(B)顯示了相應的微分干涉對比度圖像(DIC)，顯示了拋光表面的地形細節
鎳鈦諾是一種用于血管內支架的鎳鈦合金。鎳鈦諾的超彈性特性使其易于支架應用，因為其微觀結構發生變化，并且能夠在部署后保持一定的應變。植入前觀察到的結構本質上是奧氏體，當壓縮并安裝在導管上時，結構變為馬氏體。一旦安裝在體內，支架就會膨脹，產生反向馬氏體到奧氏體的轉變，但由于其被限制在動脈壁內，因此不會發生完全應變恢復，這通常被稱為偏置剛度。了解顯微組織變化有助于驗證金相制備后觀察到的顯微組織。
下表4給出了一個典型的程序，下圖顯示了制備后樣品的微觀組織結構。
表4. 鎳鈦合金的制備方案
(A)用5份Mastermet和1份過氧化氫拋光的鎳鈦合金表面;
(B)使用60ml HNO3、30ml乙酸和20ml HCl拋光和蝕刻20-40秒較小尺寸樣品，顯示馬氏體微觀結構;
(C)使用HCl、Na2S2O5、K2S2O5和NH4F組成的蝕刻劑蝕刻的表面，用偏振光觀察以顯示細小的晶粒結構;
(D)高倍率下，說明單個晶粒和馬氏體微觀結構的特征
金屬部件-不銹鋼
不銹鋼，如AISI 316L，因其成本低、機械性能好、易于加工等優點，一直被用于骨科。不銹鋼合金可能會帶來其他挑戰，如由于其密度較高，與周圍骨組織的不相容性，以及合金在體液環境中隨時間發生腐蝕的可能性。這是一個主要問題，因為腐蝕副產物對人體組織的影響可能會造成嚴重的健康風險。例如，眾所周知，鎳離子是導致炎癥的過敏原，并可能導致人體致癌性，因此開發了低鎳或無鎳鋼[7]。然而，不銹鋼仍然常用于外科植入物和器械，可用于支架、骨折固定板和螺釘、脊柱植入裝置、動脈瘤夾等。之所以長期使用，是因為表面改性顯著提高了表面鈍化性，并通過電解拋光工藝提高了表面Cr濃度以獲得更好的鈍化性。
表5. 奧氏體不銹鋼的典型制備方案
在這項工作中，AISI 316LVM合金按照表5進行了金相制備，相應的微觀結構如下圖所示，用于制造支架的激光加工板材。其目的是研究加工后的通道以及由于激光束曝光引起的任何微觀結構變化。
(A)所示為AISI 316LVM拋光鋼板;
(B)所示為軋制鋼板和激光加工鋼板;
(C)所示為加工區域的高倍圖像，以確定熱影響區的存在;
(D)所示為相應的奧氏體微觀結構，用于使用10%草酸電蝕的晶粒度測量
金屬部件-鈷基合金
鈷合金是一種結構堅固的材料，具有優異的耐磨性、耐腐蝕性和良好的生物相容性。與鐵基或鈦基醫用合金相比，它們通過傳統加工工藝制造的成本較高，因此更傾向于使用后兩種。隨著增材制造工藝的出現，鈷鉻合金越來越多地用于醫療植入物，這歸功于近凈形狀制造能力的提高，只需很少或不需要加工。
鈷鉻合金非常適合用于替代骨骼的植入物，并隨著時間的推移成為主要的承重部件。它們通常用作人工髖關節和膝關節髁，但也用于髖臼杯和脛骨托盤。
表6. 鈷合金的典型制備方案
如下圖所示，分析主體或近表面層的孔隙率水平是增材制造部件的關鍵參數。孔隙率的出現可能是由于在部件層的建立過程中粉末原料缺乏融合。
(A)通過10x物鏡使用微分干涉對比度(DIC)觀察到的增材制造的鈷鉻髖臼杯的拋光表面;
(B)通過20X物鏡使用DIC觀察到的大塊合金中的孔隙度。