摘 要:應用差示掃描量熱法(DSC)測量了植入醫(yī)療器械用聚醚醚酮材料的熔融峰溫、結晶峰 溫、玻璃化轉變溫度外推起始溫度Teig 和中點溫度Tmg,分析了試驗結果重復性、設備示值誤差和 標準物質(zhì)標準值對測量結果的影響,并評定了相應的不確定度。結果表明:增加試驗次數(shù)能有效降 低Teig 和Tmg 測量結果的不確定度。 

關鍵詞:聚醚醚酮;差示掃描量熱儀;熔融溫度;結晶溫度;玻璃化轉變溫度;不確定度評定 

中圖分類號:O631.2+2;TQ323.3                                   文獻標志碼:A                       文章編號:1001-4012(2022)08-0025-04

聚醚醚酮(PEEK)是一種全芳香線性結構的半 結晶性高分子聚合物,其具有與人的皮質(zhì)骨相當?shù)? 彈性模量、優(yōu)良的耐疲勞性、良好的射線可通過性、 良好的化學穩(wěn)定性、易加工性等優(yōu)點,被廣泛應用于 脊柱外科、矯形外科、頜面外科等醫(yī)學臨床領域[1-2]。 然而,PEEK 具有較低的表面生物活性,這限制了其 在臨床中的進一步應用,因此對 PEEK 表面性能進 行改善或研發(fā)新型植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料成 為研究 的 熱 點。 作 為 結 晶 熱 塑 性 材 料 的 一 種, PEEK 材料的性能很大程度上取決于加工過程中形 成的結晶形態(tài)[3]?？茖W測量植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料的熔融溫度Tm 、結晶溫度Tc 和玻璃化轉變溫 度Tg,可以有效地反映材料性能及工藝條件適用 性,給植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料的設計和物理改 性提供科學依據(jù),對 PEEK 類產(chǎn)品性能的提高及新 產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的理論意義和實踐指導作用。

差示掃描量熱儀是應用最為廣泛的熱分析設備 之一,目前國內(nèi)外多個標準均采用差示掃描量熱法 (DSC)測量聚醚醚酮的Tm ,Tc 和Tg。參考的標準 為 YY/T1707—2020 《外科植入物 植入醫(yī)療器械 用聚醚醚酮聚合物及其復合物的差示掃描量熱法》, 該 標 準 借 鑒 了 ISO 15309:2013Implantsfor Surgery-Differential Scanning Calorimetry ofPolyEtherEtherKetone (PEEK)Polymersand Compounds for Use in Implantable Medical Devices。

筆者應用 DSC法對植入醫(yī)療器械用 PEEK 材 料 的 Tm ,Tc 和 Tg 進 行 了 測 定,并 根 據(jù) JJF 1059.1—2012 《測 量 不 確 定 度 評 定 與 表 示 》和 CNAS-GL009:2018《材料理化檢驗測量不確定度 評估指南及實例》,分析探討了測量不確定度的來 源,對 DSC 法測定聚醚醚酮材料的 Tm ,Tc 和 Tg 結果的不確定度進行了評定。

1 試驗方案 

1.1 儀器與試劑 

DSC214Polyma型 差 示 掃 描 量 熱 儀 和 STA 449F5Jupiter型同步熱分析儀(僅稱量用);熱分析 標準物質(zhì)銦(In);高純氮氣。

1.2 試驗方法 

根據(jù) YY/T1707—2020,在溫度為(24±2)℃, 相對濕度為(50~56)%的環(huán)境下,用熱分析標準物 質(zhì)銦校準 DSC設備,校準重復性不超過2%。測量 條件下的基線形狀接近一條直線,符合標準要求。 將植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料在上述實驗室環(huán)境 下調(diào)節(jié)24h后,切取(5~15)mg,放入 DSC 設備 中,按 YY/T1707—2020規(guī)定的溫度掃描程序完成 測量。 

根據(jù)該標準中數(shù)據(jù)處理的相關要求,在測得的 DSC曲線中,以第二次加熱過程中的熔融吸熱峰峰 溫度(Tpm)為 PEEK 材料的熔融溫度Tm ,以冷卻過 程中的放熱峰峰溫度(Tpc)為結晶溫度 Tc,在第2 個加熱周期開始測定玻璃化轉變溫度外推起始溫度 Teig 和中點溫度Tmg。

2 試驗結果與分析 

2.1 植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料Tm,Tc 和Tg 的 測量不確定度評定

2.1.1 建立測量模型 

根據(jù) YY/T1707—2020,DSC測量PEEK 材料 Tpm ,Tpc,Teig,Tmg 的測量模型為Y=X。 

2.1.2 測量不確定度來源的分析 

主要來源有:試驗結果重復性引入的不確定度, 測量設備的溫度示值誤差引入的不確定度,標準物 質(zhì)標準值引入的不確定度。試驗結果重復性引入的 不確定度中,不僅包括了多個檢測人員的測量重復性對測量結果的影響,還包含了試樣材料的均勻性 和穩(wěn)定性,及設備測量的重復性對測量結果的影響。 

2.1.3 標準不確定度分量的評定 

2.1.3.1 試驗結果重復性引入的標準不確定度分量 u1(x) 

試樣材料的均勻性和穩(wěn)定性、不同檢測人員的 操作,甚至同一人員各次的操作、DSC 設備測量的 重復性都給測量結果引入了不確定性,這項分量可 以用統(tǒng)計得到的標準差來進行評定(即采用 A 類評 定方法[4])。在同一塊植入用 PEEK 材料上均勻地 切取12份 PEEK 試樣,進行 DSC 測量。由3位檢 測人員分別分析讀取獲得的每一個 DSC曲線,得到 PEEK 材料的Tpm ,Tpc,Teig 和Tmg(見表1)。受試 樣的均勻性、人員的重復性、設備的允許誤差等多種 因素的影響,應用 DSC法測量試樣的特征溫度具有 一定的分散性,特別是對于Teig 和Tmg,這種分散性 就更加明顯。由于不宜采用合并樣本標準差來評定 該項標準不確定度,因此采用貝塞爾公式計算標準 差來評定,即

式中:xi 為第i次測量值;n 為測量的總次數(shù),即36 次;s為標準差;x?? 為所有測量值的算術平均值。

YY/T1707—2020沒有明確規(guī)定測量次數(shù),暫 定試驗結果是取觀測到的任一次xi 的值(k=1,k 為測量次數(shù)),所以待求的不確定度分量為

Tpm ,Tpc,Teig 和 Tmg 的測量結果及標準不確 定度分量u1(x)的計算結果如表1所示。 

2.1.3.2 差示掃描量熱儀引入的標準不確定度分量 u2(x) 

差示掃描量熱儀重復性測量引入的不確定度已 包含在上述所求的分量u1(x)中,而差示掃描量熱 儀溫度示值誤差引入的不確定度需單獨考慮。實驗 室 用 于 測 量 工 作 的 差 示 掃 描 量 熱 儀 是 按 照 JJG 936—2012《示差掃描量熱計檢定規(guī)程》進行校準合 格的,最新校準證書給出的溫度測量誤差為 0 ℃ (銦),溫度測量結果擴展不確定度U=0.4 ℃,k= 2。用 B類評定方法得到u2(x)=0.2 ℃。

2.1.3.3 標準物質(zhì)標準值引入的標準不確定度分量 u3(x) 

熱分析標準物質(zhì)銦的證書給出的標準值擴展不 確定度U =0.26 ℃,k=2,按 B 類 評 定 方 法 得 到 u2(x)為0.13 ℃。

  2.1.4 計算合成標準不確定度

標準不確定度分量ui(x)匯總如表2所示。

由于u1(x),u2(x)和u3(x)之間彼此不相關, 所以合成相對標準不確定度為

計 算 得 到:uc (Tpm )=0.279 ℃;uc (Tpc)= 0.313 ℃;uc(Teig)=0.680 ℃;uc(Tmg)=0.580 ℃。 

2.1.5 擴展不確定度的評定 

置信概 率 為 95% 時,取k=2,擴 展 不 確 定 度U=k×uc(x)。 

計 算 得:Tpm 的 U =0.56 ℃;Tpc 的 U = 0.63 ℃;Teig 的U=1.4 ℃;Tmg 的U=1.2 ℃。 

用 DSC法測量植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料的 Tm ,Tc 和Tg,當取單次試驗結果為測量結果時,測 量結果可表示為:Tpm =340.71 ℃,U=0.56 ℃,k= 2;Tpc =290.52 ℃,U =0.63 ℃,k =2;Teig = 142.0 ℃,U =1.4 ℃,k=2;Tmg =148.5 ℃,U = 1.2 ℃,k=2。

2.2 分析與討論 

從上述計算過程可以發(fā)現(xiàn),對于單次試驗結果, DSC法測量植入醫(yī)療器械用 PEEK 材料的 Tpm 和 Tpc 時,試驗結果的重復性、設備溫度示值誤差及標 準物質(zhì)標準值的3項不確定來源對不確定度的貢獻 水平相當。當測量玻璃化轉變 溫 度 (Teig 和 Tmg) 時,發(fā)現(xiàn)三者中試樣結果的重復性給測量結果引入 了最大的 不 確 定 性,從 不 同 檢 測 人 員 處 理 相 同 的 DSC曲線看,玻璃化轉變溫度數(shù)據(jù)處理對不確定度 的貢獻較為明顯。為降低該項不確定度分量的貢 獻,分別選取了第1,2,3次試驗結果作為測量結果, 代入u1(x)的計算公式,并計算相應的標準不確定 度和擴展不確定度,結果如表3所示。

從計算結果得知,當取3次試驗結果為測量結 果時,測 量 結 果 可 表 示 為:Teig =142.0 ℃,U = 0.88 ℃,k=2;Tmg=148.5 ℃,U=0.79 ℃,k=2。

用 DSC法測量植入醫(yī)療器械用PEEK材料的玻 璃化轉變溫度時,增加平行試驗的次數(shù)可以有效降低 試樣測量結果重復性引入的不確定度分量,進而將玻 璃化轉變溫度的擴展不確定度控制在小于1℃。

3 結論 

依據(jù) YY/T1707—2020,應用 DSC法測量植入 醫(yī)療器械用PEEK 材料的熔融溫度、結晶溫度、玻璃 化轉變溫度,結果顯示測量結果不確定度主要來源于 試驗結果重復性引入的不確定度、測量設備的溫度示 值誤差引入的不確定度和標準物質(zhì)標準值引入的不 確定度。因此,在日常測量中,可以通過以下方式降 低測量的不確定度,以增加測量結果的可靠性。

(1)定期用有證標準物質(zhì)校準設備。 

(2)定期核查所使用標準物質(zhì)的有效性。 

(3)合理控制測量過程的重復性,如試樣大小、 試樣用量、裝填方式和數(shù)據(jù)處理細節(jié)等。 

(4)測量PEEK材料的玻璃化轉變溫度時,增加 試驗的平行次數(shù)可有效降低測量結果的不確定度。

參考文獻: 

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 8期 (pp:25-28)>