丙烯酸类树脂骨水泥的孔隙率测试方法综述

北京万洁天元医疗器械股份有限公司 （北京 102600）

内容提要： 孔隙率是丙烯酸类树脂骨水泥产品研发、使用过程中重要的参数之一。从方便广大研究人员确定测试方法的角度出发，重点介绍测定孔隙率的4种常用方法，即超声法、浮力法、显微镜法及射线法。从测试原理、样品制备、方法优劣等方面进行详细阐述。浮力法简单易行，但所得到的数据较少；显微镜法则制样稍麻烦；超声法、射线法可获得直观图像但设备价格较高。各企业应结合自身实际选取合适的检测方法，以加快新产品开发步伐，提高产品性能。

丙烯酸类树脂骨水泥的主体成分是聚甲基丙烯酸甲酯，自其应用于医学领域以来，以其稳定的固化过程、合适的力学强度、良好的生物相容性等特性，成为骨科最常用的生物材料之一[1]。目前使用的骨水泥均由粉剂和液剂两部分组成，使用时将两者混合，在短时间内，两者所形成的混合物的黏度迅速增大，无论采用传统手工混合，还是真空混合，搅拌过程中形成的气泡在所难免[2]。随着骨水泥的固化，气泡被固定于骨水泥内部，成为骨水泥孔隙率增大的主要贡献源。气泡的存在，对骨水泥的吸水率、膨胀性能、力学性能等均有重要影响[3-5]。因此，骨水泥的孔隙率成为骨水泥新产品研发及使用过程中重要的参数之一，必须加以监测和控制。

但目前国内对丙烯酸类树脂骨水泥孔隙率的研究较少，虽认识到搅拌方式对孔隙率的影响，但一般认为，丙烯酸类树脂骨水泥的粉、液剂在化学性质上并无本质区别，两者润湿性良好，能够达到均相或接近均相混合的程度。所以，骨水泥固化后的结构应是相当致密的，孔隙主要来源于后期使用过程中带入的气泡，而且多为闭孔结构。因而，对由此引起的吸水率增加、玻璃化温度下降、力学性能尤其是疲劳性能下降、假体松动等未给予足够重视，严重制约了国内对丙烯酸类树脂骨水泥的认识深度和新产品开发水平[3,6-10]。

故此，本文针对骨水泥的产品特点，对常用的几种孔隙率表征手段进行介绍，方便广大研究人员结合企业实际，选取合适的检测方法的同时，加强对骨水泥性能表征的完整性，增强对孔隙率与产品使用方法、产品性能、长期临床效果关系的理解，提升我国丙烯酸类树脂骨水泥产品的品质。

1.超声法

超声因其频率高、指向性好、衍射少、可被生物介质吸收等特点，已广泛运用于疾病的诊断和治疗，并且随着科学技术的发展，逐渐与光声成像、人工智能等结合，是近年来的研究热点[11-13]。

超声波显微成像（AMI）利用高频率的超声波（一般在5MHz以上）探测物体内的结构、缺陷、以及对材料做定性分析，是进行无损检测的最常用技术之一。其基本原理是：超声波在传播过程中，随着传播距离的增加逐渐衰减。孔隙是声波的优良散射体，将引起超声能量的显著衰减，并随孔隙率的增大而增大，利用换能器实现声波的发送和反射波的信号转换，并输出为视频信号显示在高分辨率显示屏上。通过扫描机构在样品上方来回做扫描运动，样品每一点反射波的强度及相位信息均被按顺序同步记录下来，即可得到扫描区域的一幅完整声学图像。

FDA指导文件中建议使用激光扫描声学显微镜（SLAM）或超声波扫描显微镜（它的主要工作模式是C模式，因此简称，C-SAM）对块状或连续切片的骨水泥样品进行检测[14]。SLAM相对C-SAM的最大优点是成像速度快，它可以实时的在监视器上把被测物体的内部投影结构显示出来[15]。

利用超声扫描显微镜，可以在不破坏被测对象的情况下，得到样品内部孔隙的形状、大小、分布、及体积百分含量等信息，帮助企业更全面、直接和深入的了解和评价被测对象的内部结构状况，有助于监控产品质量，改善工艺。

采用C-SAM进行测试时，样品的制备非常简单，固化后的骨水泥团、块、条等均可直接用于测试。但超声扫描显微镜本身价格较为昂贵，企业配置难度较大。

2.显微法

首先制备骨水泥圆柱体，将此圆柱体进行连续切片，以获取一定厚度的圆盘片，对此盘片的表面进行平整，先用100～600目粗砂纸打磨，后用细砂纸抛光，经超声洗掉磨屑，将盘片置于带摄像头的数码显微镜下，拍摄不同视野范围内的数张数码照片，利用特殊的数据处理软件，识别其上的孔洞并计算其面积，所有孔洞面积之和与整个画面面积的比值即为孔隙率。为增强视野的对比度，可用黑色墨水对切片表面进行涂覆，便于孔洞的观察[10]。

采用显微镜法，为保证观测结果的清晰、准确，往往需要进行一定倍数的放大，因此，每次拍摄仅能针对样品的一小块区域，为反映样品的整体孔隙率水平，需要在不同的具代表性的位置切片，所观测的切片数应不少于5片，每一切片随机在不同区域拍摄不少于8次，以此估算样品的孔隙率[16]。可见，所观测的切片数量越多、拍摄区域越多，所得孔隙率就越接近真实值。

采用光学显微镜，价格不贵，一般企业均可承受，可以得到孔隙在骨水泥内部的直观图像，但由于检测的是断面局部的孔隙率，只能通过统计方法来计算样品整体的孔隙率。且受光学显微镜分辨率的限制，较小直径的孔洞可能难以计算在内。此外，由于骨水泥不透光，且难以制备微米级切片，因此，只能采用反射式显微镜，透射式显微镜不适用。

利用扫描电子显微镜法进行观测，则可消除放大倍率的限制，且图像更富立体感，但扫描电子显微镜本身价格昂贵，不便普及采用，而外委测试势必导致周期过长，拖慢产品开发进度[17]。

3.浮力法

对于相同重量的骨水泥，如果其孔隙越多，则体积越大，相应密度越小。反之，孔隙少则密度大。因此，可以用密度的差别来评估骨水泥的孔隙率。

根据阿基米德原理，浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力[18]。骨水泥有良好的疏水性，可以方便的用水作为测试液体。通过测定骨水泥的表观密度和真密度来计算其孔隙率，计算方式见公式（1）。

注：ρA为骨水泥的表观密度，单位为kg/m3；ρT为骨水泥的真密度，单位为kg/m3。

表观密度的测量比较简单，对样品制备也没有特殊要求，由于骨水泥比较密实，开口孔隙体积很小，所以可以直接用排液法测得，目前有许多市售设备可满足测试要求。

真密度的测量相对烦琐，且不同品牌的骨水泥因配方组成的差异，其真密度也各有不同。目前国内有多个国家标准和行业标准如GB/T 1033.1、GB/T 23561、YB/T 5300等均采用密度瓶（比重瓶）法。采用此种方法时，须将样品磨成细粉以消除闭口气孔。因此材料磨得越细，测得的材料的真体积数值就越精确。但对骨水泥这类有机材料来说，样品并非磨得越细越好，因为样品本身亲水性较差，研磨的越细，粉末就越容易浮于液体表面，沉降困难，在塞上比重瓶盖时就会溢出，从而造成测量误差[19]。根据骨水泥材料的特性，一般需要磨细至80～200目。

根据测量密度差别计算孔隙率，所需设备简单，企业配置起来相对容易，尤其适合实验室中研发阶段采用。所得结果能够反映骨水泥整体的孔隙率水平，是宏观上的整体平均。缺点是无法得到骨水泥孔隙的尺寸、形状及分布情况。

4.射线法

为满足手术可视化的需要，骨水泥必须加入不透X射线的硫酸钡或氧化锆作为显影剂，因此，可以通过X射线照片观察固化骨水泥中孔隙的大小及分布[20]。孔洞在X射线底片上呈黑色影像，中部黑度较大，向外逐渐减弱，边界清晰，非常容易观察。但由于受检测精度的限制，大于0.1mm的孔隙才有可能被检测处理，因此，检测灵敏度不如超声法。

制样方法非常简便，进行弯曲模量测试时制备的样条即非常适合用来进行X射线拍照。

X射线观察的是透过样条的光线成像情况，因此，不能区分不同深度孔隙的叠加。为此，可以采用像显微法中连续切片的方法提高精度，也可进一步采用显微CT进行样条的三维重建，从而非常直观地得到样条内部孔隙的形状、大小、分布信息[10]。

5.小结

丙烯酸类树脂骨水泥的孔隙率对产品性能有重要影响，因此，对其进行表征非常必要。在所介绍的四种孔隙率表征方法中，浮力法因其制样方法简便、无需昂贵的设备，即可得到骨水泥的孔隙率数值，而得到广泛应用，但无法获得孔隙的大小、形状、分布等数据。显微镜法可以弥补浮力法的不足，但需制备多个具代表性位置的切片，并基于多切面的多区域随机观察以统计方法获得整体的孔隙率。超声法、射线法既可以获得试样的整体孔隙率数据，也可详细观察孔隙的微观形貌，还可通过数值重构，获得试样的三维图像，因而更加直观，但相应设备价格较高，企业应针对自身情况予以选用、配置。