運用電感耦合等離子體原子發射光譜法進行生物醫用鉭和鈦材料的成分分析

武靜文，羅彥鳳，楊柳，楊婭嵐，范能全（通信作者）

1 重慶市食品藥品檢驗檢測研究院 （重慶 401121）；2 重慶大學生物工程學院（重慶 400030）

生物醫用金屬材料指外科用金屬材料或醫用金屬材料，是在生物醫用材料中使用的金屬或合金材料，屬于一類惰性材料。臨床應用的生物醫用金屬材料主要包括不銹鋼、鈦（Ti）基合金、貴金屬、純金屬鈮（Nb）、鋯（Zr）、鉭（Ta）、Ti 等[1]。Ta 和Ti 合金因其良好的力學性能和生物相容性而成為臨床常用的骨科材料，被廣泛用于牙種植、人工關節置換／翻修、結構支撐、椎間融合等方面[2]。生物醫用金屬材料的理化性能與其化學組成是密切相關的，化學組成的變化必然導致一系列理化性能的變化。在成分分析方面，Ta 和Ti 合金均可被氫氟酸溶解后進行材料成分分析，但醫療器械生物學評價標準GB/T 16886.1-2011《醫療器械生物學評價 第1部分：風險管理過程中的評價與試驗》未對金屬材料的成分進行考察，僅通過可瀝濾物和可降解物來評價醫療器械風險[3]；查閱相關文獻發現，Ta、Ti 成分分析只局限于礦石、工程材料中的常量組分（質量分數>1%），并未對ICHQ3D 元素雜質指導原則中的風險元素進行考察[4-6]。

電感耦合等離子體原子發射光譜法（inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-OES）相比于其他的元素定量分析方法（如原子吸收法、電感耦合等離子體質譜法），具有抗干擾性強、線性范圍寬、能準確快速地同時測定多種元素等優點[7]。本研究擬采用ICP-OES 氫氟酸分析系統，建立生物醫用Ta、Ti 材料的成分分析方案，旨在能及時防范上述材料生產中的風險，并為更好地評價醫療器械生物學風險提供數據支撐。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

ICP-OES 儀器（美國Thermo Fisher，型號iCAP7400），數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司，型號KQ-500DE），電子天平（上海梅特勒公司，型號XSE204）。

國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產的汞（Hg）標準溶液（批號19042）、硅（Si）標準溶液（批號18B044）、鉬（Mo）標準溶液（批號19C004-2）、Ta標準溶液（批號201004），濃度均為1 000μg/ml；國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產的鋁（Al）、砷（As）、硼（B）、鋇（Ba）、鈹（Be）、鉍（Bi）、鎘（Cd）、鈷（Co）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鐵（Fe）、稼（Ga）、鋰（Li）、鎂（Mg）、錳（Mn）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、銻（Sb）、錫（Sn）、鍶（Sr）、Ti、鉈（Tl）、釩（V）、鋅（Zn）多元素混合標準液（批號196046-3），濃度為100 μg/ml；中國計量科學研究院生產的鈰（Ce）標準溶液（批號20011）、鈣（Ca）標準溶液（批號19092），濃度均為1 000 μg/ml；國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產的鉿（Hf） 、Nb、Ta、鎢（W）、Zr混標溶液（批號20D5637），濃度為20 μg/ml；北京化工冶金研究院生產的Ti標準溶液（批號080357），濃度為1 000 μg/ml。

硝酸、氫氟酸為優級純，水為超純水。本研究所用Ta、Ti 粉末的提供單位為重慶某材料公司。

1.2 ICP-OES 儀器參數

泵速50 r/min，輔助氣流量0.5 L/min，射頻功率1 150 kW。觀測方式：預篩試驗選擇垂直，含量測定選擇水平。

1.3 溶液的制備

10 μg/ml 混標儲備液配制：取一個50 ml 塑料容量瓶，分別加入Hf、Nb、Ta、W、Zr 混標溶液25 ml，Al、As、B、Ba、Be、Bi 等多元素混合標準液5 ml，1.1所述單標溶液（除Ta、Ti 標準溶液）各0.5 ml，用5%硝酸－氫氟酸溶液定容至刻度，得到10 μg/ml 混標儲備液。

A 標準系列溶液制備：分別取10 μg/ml 混標儲備液0.25、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0、7.5、10.0、15.0 ml 加入各自對應的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氫氟酸定容至刻度，得到50、100、200、300、500、800、1 000、1 500、2 000、3000 ng/ml 標準系列溶液。（注：A 代表除Ta、Ti 的所有元素）

Ta、Ti 標準系列溶液制備：取一個50 ml 塑料容量瓶，分別加入Ta、Ti 單標溶液5 ml，用5%硝酸－氫氟酸溶液定容至刻度，得到100 μg/ml Ta、Ti 混標儲備液；分別取100 μg/ml Ta、Ti 混標儲備液0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、5.00 ml 加入各自對應的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氫氟酸定容至刻度，得到0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 μg/ml 標準系列溶液。

預篩溶液和樣品溶液制備：取Ta 粉、Ti 粉各0.1 g，分別放入聚四氟乙烯消解罐中，加入5 ml 超純水將樣品潤濕，再加入5 ml 硝酸、5 ml 氫氟酸，加蓋密封后，于超聲清洗器中25 ℃條件下清洗1 h；將反應后的溶液多次沖洗并通過0.45 μm 過濾器過濾到 50 ml 塑料容量瓶中，用超純水定容至刻度，得到Ta、Ti 預篩溶液；取上述預篩溶液0.5 ml 加入各自對應的50 ml 塑料容量瓶中，用5%硝酸－氫氟酸定容至刻度，得到Ta、Ti 樣品溶液。

樣品加標溶液制備：取3份上述Ta、Ti 預篩溶液0.5 ml分別加至50 ml 塑料容量瓶中，并分別加入10 μg/ml 混標儲備液1.0、1.5、2.5 ml，用5%硝酸－氫氟酸定容至刻度得到200、300、500 ng/ml Ta、Ti 的A 加標溶液；取3份上述Ta、Ti 預篩溶液0.05 ml 分別加至50 ml 塑料容量瓶中，并分別加入100 μg/ml Ta、Ti 混標儲備液0.5、1.0、1.5 ml，用5%硝酸－氫氟酸定容至刻度得到1、2、3 μg/ml Ta、Ti 加標溶液。

1.4 檢測方法

本研究所采用的氫氟酸進樣法，具有溶樣速度快、環保節能和可批量生產的優點，相較于其他前處理方法具有明顯優勢：堿熔法用堿熔融時間過長，操作比較煩瑣，且處理過程易帶入外來污染源；傳統的無耐氫氟酸系統的ICP-OES，必須要把溶液中的氫氟酸趕盡，再用5%的酒石酸來進行復溶、提取，所測結果偏低[8]。

2 結果與分析

2.1 預篩系統的建立

取10 μg/ml 混標儲備液，對預篩液進行全譜掃描。參照ICHQ3D 元素雜質指導原則，對于1類和2A 類元素，即Cd、Pb、As、Hg、Co、V、Ni 進行強制考察，不納入預篩考察范圍。參照Ti 及Ti 合金牌號和化學成分標準GB/T 3620.1-2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》[9]規定，對單一雜質含量小于0.05%的元素不進行考察，對應至本檢測方法，即1 μg/ml 以下的元素不進行考察。各元素所選波長和預篩試驗結果見表1。由表1結果并結合上述預篩原則得出，需要考察的元素為Al、As、B、Cd、Co、Fe、Hg、Mn、Mo、Nb、Ni、Pb、Si、Ta、Ti、V、W、Zn。

表1 各元素所選波長和預篩試驗結果（μg/ml）

2.2 線性關系、檢出限及定量限的考察

由表2可知，18種元素線性表現良好，相關系數均在0.9997以上。取樣品空白，連續測定11次， 由11次濃度讀數的標準偏差計算檢出限和定量限[10]。0～3 000 ng/ml 范圍的16種元素， 檢出限均低于15 ng/ml， 定量限均低于50 ng/ml；定量限小于標準曲線起點50 ng/ml，滿足檢測要求；0～10 000 ng/ml 范圍的2種元素，Ti 檢出限、定量限表現良好，均遠低于標準曲線起點500 ng/ml，Ta 定量限能夠滿足檢測要求，但遠高于Ti，可能的原因為Ta、Nb 在酸溶液中易發生水解反應[11]，導致Ta、Nb 定量限均接近于標準曲線的起點50、500 ng/ml。

表2 各元素線性關系、檢出限及定量限

2.3 精密度與穩定性

0～3 000 ng/ml 范圍的16種元素取800 ng/ml 標準溶液作為精密度和穩定性的待測液；0～10 000ng/ml 范圍的Ta、Ti 元素取4 000 ng/ml 標準溶液作為精密度和穩定性的待測液。將待測液連續測定6次，所得濃度的相對標準偏差作為精密度[12]。分別取兩個時間點對待測液測定1次，根據各元素兩次濃度值計算變化率C：

式中，A為第一時間點的測定值，B為不同時間的測定值，C為變化率[13]。

由表3可知，18種元素的精密度在2%以內，2 h 的變化率C均小于11%，滿足方法學要求。

表3 精密度與穩定性試驗結果

2.4 加標回收試驗

對Ta、Ti 合金兩種材料的共18種元素的加標回收率進行分析，并以100%回收率為標準，統計最低回收率結果（即與100%偏差最大的值）。Ta、Ti為材料的主成分含量元素，以1、2、3 μg/ml 作為低、中、高濃度的加標溶液；其余16種元素為材料的微量、痕量元素，以200、300、500 ng/ml 作為低、中、高濃度的加標溶液。由表4可知，18種元素的平均回收率為85%～112%，滿足方法學要求。W 的低濃度回收率為76%，偏低原因可能為W（+6價）在酸性溶液中不穩定，易受溫度影響，致使低濃度測得含量值偏低[14]。

表4 18元素加標回收率試驗結果

2.5 方法準確度

使用本檢測方法對國家標準物質（BW0000-2016）Ti合金進行測定，與標樣證書上的認定值進行對比，結果見表5。參照GB/T 3620.2-2007《鈦及鈦合金加工產品化學成分允許偏差》[15]規定，本檢測方法所測結果值（除Ti 外）均在標樣認定值的范圍內；標準物質證書中未給出Ti 含量，且GB/T 3620.2-2007未給出成分大于50%的偏差標準，考慮到樣品在溶解稀釋時存在一定的誤差，Ti 含量偏差值小于3%，結果能夠符合要求；Zn、Si、Cd、Pb、As、Hg 標準物質中未涉及，但此6種元素的加標回收率為86%～94%，且Cd、Pb、As、Hg 多為超痕量組分（約0.0001%），允許偏差率較寬，因此本檢測方法能夠滿足實際需要。

表5 標樣測定值與認定值對比

2.6 樣品含量測定結果

由表6可知，Ta 材料Ta 純度要高于Ti 合金中的Ti 純度，Ta、Ti 合金材料中的其余成分包括本檢測方法未涉及的非金屬元素（如C、H、O、N、P、S 等），以及預篩中排除的元素（如Zr、Cr、Hf、Bi 等）。醫療器械關注的風險元素方面：Ti 合金中的V、Al 含量較高，均占5%左右，V 雖然毒性較低，但在人體內形成的含V 化合物可引起結膜炎、鼻炎等，嚴重時還可能引起肺癌[16]；體內積累過多的Al 會對人體的中樞神經系統及胚胎發育造成有不良影響，引起老年癡呆、 帕金森氏癡呆綜合征等神經失調疾病[17]。ICHQ3D 中1類風險元素（Pb、As）在兩種材料中均為未檢出，Ta 材料中Cd、Hg 含量要略高于Ti 合金。綜合分析表6結果得出，在保證同等醫療效果情況下，Ta 材料的安全性要優于Ti 合金。

表6 Ta、Ti 材料樣品百分含量結果

3 討論

本研究采用ICP-OES 氫氟酸分析系統，建立了Ta、Ti 醫用材料中34種元素的預篩體系，基本涵蓋了材料中可能涉及的所有金屬元素，并重點關注了ICHQ3D 所涉及的高風險元素。本研究對單一雜質含量小于0.05%的元素沒有進行考察，該判斷標準可依據研究方向及關注重點進行加嚴調整。相較于一般的材料組分研究不涉及預篩，只針對目標元素進行分析[17-19]，該預篩體系可快速篩查出未知風險元素，是監管醫用金屬材料安全使用的重要技術手段。

本研究對預篩后的Ta、Ti、Nb、Mo、Zn、Si、W、Pb 等18種元素進行了方法學考察，結果滿足檢驗要求。其中Ta、Ti 主含量元素檢出限分別為11.40 、109.80 ng/ml，其余16種元素檢出限均低于15 ng/ml；所測元素的精密度在2%以內，2 h 的變化率均小于11%；18種元素的平均回收率為85%～112%。相較于其他元素，Ta 檢出限偏高；相關文獻表明，運用檢出限較低的ICP-MS 測定Ta 材料中的Ta，檢出限范圍為130 ng/ml[20]，表明本檢測方法Ta 的檢出限較好。

本研究通過對國家標準物質（BW0000-2016）Ti 合金進行比對測定，偏差結果符合GB/T 3620.2-2007規定要求，證明了本檢測方法的可靠性。目前，《海綿鈦、鈦、鈦合金化學分析方法》標準第22到29部分GB/T 4698.22-2017～GB/T 4698.29-2017已采用ICP-OES 檢測Ti 材料中的Nb、釹（Nd）、Ni、鈀（Pd）、釕（Ru）、Ta 和W[21]，證明了本檢測方法的可行性。通過對Ta、Ti 兩個樣品材料進行成分分析，明確了組分含量和安全風險，對拓寬這兩種材料的技術監管范圍和更科學地評價醫療器械生物學試驗具有前期意義。