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醫(yī)療器械材料在設(shè)計(jì)和服役的各個(gè)階段都要進(jìn)行分析，從最初的模型材料制造和研發(fā)，到從患者身上取出后對(duì)器械或周?chē)M織進(jìn)行檢驗(yàn)。

對(duì)材料特性和相關(guān)性能的理解可以防止設(shè)備失效，確?；颊甙踩?，并推動(dòng)材料和設(shè)備設(shè)計(jì)的下一步創(chuàng)新。

為了獲得這種認(rèn)知，必須評(píng)估微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶相、二次相的出現(xiàn)乃至元素分布的均勻性，并結(jié)合性能測(cè)試的結(jié)果來(lái)確定合金是否符合應(yīng)用預(yù)期。

透射電子顯微鏡（TEM）是一種分析金屬和其他材料的理想技術(shù)，可以在亞微米到原子尺度上了解金屬和其他材料的結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)。

該方法可應(yīng)用于不同加工階段的材料，成品，甚至磨損碎片，例如從設(shè)備表面或患者組織上取下來(lái)的亞微米顆粒。

JEOL JEM-3010透射電子顯微鏡（圖1）常用于材料分析，它能放大120萬(wàn)倍，并能分辨0.14納米的特征，因?yàn)橛辛诉@種高分辨率成像能力，所以電子衍射分析可以用于晶體相識(shí)別。

此外，集成在顯微鏡上的X射線能譜（EDS）系統(tǒng)具有識(shí)別小到3納米的特征或區(qū)域的元素信息。這種綜合能力使得TEM成為一個(gè)非常強(qiáng)大的材料表征工具，它能夠提供了其他方法無(wú)法獲得的信息，這是其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

掃描電子顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)可以對(duì)大塊材料進(jìn)行取樣觀察和分析，它們的功能與TEM互補(bǔ)，并提供與TEM互補(bǔ)的結(jié)果。當(dāng)人們?cè)诤芏喾椒ㄖ羞x擇表征方法時(shí)，TEM通常是獲得納米級(jí)材料結(jié)構(gòu)信息的最佳方法，而納米級(jí)材料結(jié)構(gòu)信息是當(dāng)今高性能材料發(fā)展所必需的。

研究人員將TEM分析應(yīng)用于醫(yī)療器械中多孔金屬氧化物陽(yáng)極裝置的成像，開(kāi)展從設(shè)備和人體組織中分離出的金屬和聚合物磨損顆粒的識(shí)別、以及用于血管支架的原型奧氏體不銹鋼合金的表征。

那么，如何制備TEM樣品呢？在一個(gè)案例中，研究人員要對(duì)一種新型金屬合金（一種用于血管支架的改性316L不銹鋼）進(jìn)行臨床前的分析。為了提高射線密度，用鉑對(duì)其進(jìn)行了改性。

兩項(xiàng)研究采用TEM評(píng)估了改性對(duì)合金的元素和結(jié)構(gòu)性能的潛在影響，這兩項(xiàng)研究的關(guān)鍵是從提供的樣品上切取和制備適用于TEM觀察的薄片。由于TEM的原理是利用一束高能電子穿過(guò)材料，所以樣品必須是厚度小于等于100納米的扁平截面。制備透射電鏡分析用的薄片的方法很多，而且這種方法必須根據(jù)具體情況來(lái)確定。

不斷減小支架材料的塊體試樣的尺寸，直到形成直徑為3毫米的圓片，圓片的中心繼續(xù)減薄，直至穿孔；由此形成的孔的邊緣將足夠薄，便滿足TEM分析的要求。

用氬離子束銑削或用強(qiáng)酸溶液電拋光是制備薄金屬試樣的兩種典型方法。圖2所示為通過(guò)離子銑削制備出來(lái)的直徑為3毫米的金屬薄片的光學(xué)顯微照片。

樣品含有一段嵌入環(huán)氧樹(shù)脂并拋光用于進(jìn)行金相分析的原型金屬，以及一段直徑小于2.54mm的316L材料截面和原型管。TEM分析用的薄片樣品的制備是由芝加哥伊利諾伊大學(xué)研究資源中心的電子顯微鏡服務(wù)部門(mén)完成的。

對(duì)于鑲嵌的部分，用金剛石鋸去除小塊不銹鋼，并通過(guò)氬離子銑削減薄。將小直徑的管子沿縱向切開(kāi)并壓平；然后從壓平的部分切下圓片。

標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼管材經(jīng)電解拋光后變薄，但采用鉑對(duì)原型不銹鋼進(jìn)行改性時(shí)，金屬變色，改用離子減薄。

這說(shuō)明了在制備TEM樣品時(shí)必須小心，因?yàn)橹苽溥^(guò)程中的任何步驟都可能在材料中引入人為特征，了解材料，待分析的特性以及各種制備方法可能產(chǎn)生的影響，對(duì)于獲得良好的試樣和代表性結(jié)果至關(guān)重要。

對(duì)拋光的研究，目的是呈現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡觀察中看到的析出相的晶相和元素組成。這樣的析出物的在奧氏體不銹鋼合金中并不少見(jiàn)，在金屬上還會(huì)形成氧化鉻涂層并抑制腐蝕。

鋼中固溶的鉻可能遷移到晶界上，晶界是多晶材料（如金屬）晶粒之間的界面。在高碳鋼中鉻可形成碳化鉻的析出物。在低碳鋼中，如316L鋼，鉻可能生成氧化鉻。

由于該材料已通過(guò)添加鉑進(jìn)行了改性，因此有必要觀察和分析析出相的成分。TEM成像可以提供了析出相的尺寸信息，EDS分析表明它們只含有鉻和氧。圖3給出了一個(gè)大約直徑為兩微米大小的典型析出相圖像。

從透射圖像衍射圖中可以測(cè)量出原子平面的間距并與已知材料的間距進(jìn)行比較。這些間距來(lái)自國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心維護(hù)的晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)；這些析出相被鑒定為Cr2O3。

在第二項(xiàng)研究中，比較了316L不銹鋼管和鉑改性316L不銹鋼制備的樣品，為的是確定鉑是否分布均勻，或其添加鉑是否導(dǎo)致形成可能損害合金物理性能的第二相。TEM觀察結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)金屬中產(chǎn)生新的夾雜物或析出相，也表明鉑改性316L不銹鋼的晶粒比標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼大。

通過(guò)大面積成像觀察和對(duì)個(gè)別晶粒和晶界的局域觀察，以及廣泛的EDS能譜分析。元素在晶粒間的薄晶界區(qū)域的偏析對(duì)合金的強(qiáng)度影響很大，而確定是否發(fā)生了這種偏析是非常關(guān)鍵的事情。圖4是鉑改性合金中三叉晶界的TEM圖像，圖5是晶界區(qū)域的EDS能譜。小編覺(jué)得邊晶界成分最好用線掃而不用面掃，或者兩者結(jié)合分析更好，其原因可以自己體會(huì)。

TEM-EDS分析表明，316L和鉑改性316L元素分布非常均勻。沒(méi)有跡象表明形成了新的第二相，或者鉑已經(jīng)偏析到改性合金的晶界區(qū)域。

利用透射電子顯微鏡，可以在亞微米到近原子的尺度上獲得特征尺寸、形貌、晶粒度和元素分布等信息。

樣品制備可能具有挑戰(zhàn)性，但很少有其他技術(shù)能夠在近原子水平上提供材料特征的類(lèi)似信息，透射觀察結(jié)果加強(qiáng)了人們對(duì)結(jié)構(gòu)特征和性能的理解，提升了人們開(kāi)發(fā)新材料和新設(shè)備的能力。