ISO 13779-3:2018
(Main)Implants for surgery — Hydroxyapatite — Part 3: Chemical analysis and characterization of crystallinity ratio and phase purity
Implants for surgery — Hydroxyapatite — Part 3: Chemical analysis and characterization of crystallinity ratio and phase purity
This document specifies methods of test for the chemical analysis, assessment of crystallinity ratio and phase composition of hydroxyapatite-based materials such as powders, coating or bulk products. NOTE These tests are intended to describe properties of the material and to communicate these between organizations. These tests are not written with the objective of replacing a company's internal operational and assessment tests although they could be used as such.
Implants chirurgicaux — Hydroxyapatite — Partie 3: Analyse chimique et caractérisation du rapport de cristallinité et de la pureté de phase
Le présent document spécifie des méthodes d'essai pour l'analyse chimique, l'évaluation du rapport de cristallinité et de la composition des phases des matériaux à base d'hydroxyapatite comme les poudres, les revêtements ou les produits massifs. NOTE Ces essais visent à décrire les propriétés du matériau et à les communiquer entre différents organismes. Ces essais ne sont pas rédigés en vue de remplacer les essais de fonctionnement et d'évaluation internes d'une entreprise, bien qu'ils puissent être utilisés comme tels.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13779-3
Second edition
2018-12
Implants for surgery —
Hydroxyapatite —
Part 3:
Chemical analysis and
characterization of crystallinity ratio
and phase purity
Implants chirurgicaux — Hydroxyapatite —
Partie 3: Analyse chimique et caractérisation du rapport de
cristallinité et de la puréte de phase
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Chemical analysis . 4
4.1 General . 4
4.2 Analytical methods . 4
4.3 Apparatus for chemical analysis . 5
4.4 Reagents for chemical analysis . 5
4.5 Procedure . 5
4.6 Expression of results . 6
5 X-ray diffraction analysis . 6
5.1 General . 6
5.2 Apparatus . 6
5.3 Preparation of test samples . 7
5.3.1 General. 7
5.3.2 Coatings . 7
5.3.3 Bulk sample . 7
5.4 Calibration specimens . 7
5.5 X-ray diffraction pattern collection . 7
5.5.1 General. 7
5.5.2 Identification of the crystallized phases . 8
5.6 Calibration curves, limits and uncertainties . 8
5.6.1 General. 8
5.6.2 Plotting the calibration curves for the foreign phases . 8
5.6.3 Detection limit (DL) and quantification limit (QL) of foreign phases . 9
5.6.4 Uncertainty for determination of foreign phases content .10
5.7 Qualitative and quantitative determination of the foreign phases .11
5.7.1 Procedure .11
5.7.2 Expression of results .11
5.8 Calcium to phosphorous (Ca:P) ratio determination .11
5.8.1 General.11
5.8.2 Measurements on the sample .11
5.8.3 Uncertainty of Ca:P measurement .12
5.8.4 Expression of results .12
5.9 Determination of the crystallinity ratio.13
5.9.1 Rationale on different methods of determination of the crystallinity ratio .13
5.9.2 General.13
5.9.3 Procedure A .13
5.9.4 Procedure B .14
5.9.5 Uncertainty of the crystallinity ratio .14
5.9.6 Expression of results .14
6 Test report .14
Annex A (informative) Contamination of calcium phosphate .16
Annex B (normative) Testing of the purity of the phases used in the production of the
calibration curves .17
Annex C (informative) Examples of X-ray diffraction patterns collected from various
mixtures used to plot the calibration curves .19
Annex D (normative) Positions of hydroxyapatite lines used to measure the crystallinity ratio .24
Annex E (normative) Methods for the preparation of reference materials .25
Annex F (informative) Uncertainty calculation of Ca:P ratio .28
Annex G (informative) Quantitative Phase Analysis (QPA) by Rietveld Refinement of XRD Data.30
Annex H (informative) Alternative method: Determination of the crystallinity ratio .31
Bibliography .32
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 150, Implants for surgery, Subcommittee
SC 1, Materials.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 13779-3:2008), which has been
technically revised.
A list of all parts in the ISO 13779 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
Introduction
No known surgical implant material has ever been shown to cause absolutely no adverse reactions
in the human body. However, long term clinical experience of the use of hydroxyapatite has shown
that an applicable level of biological response can be expected, if the material is used in appropriate
applications.
Biocompatibility and resorption rate of hydroxyapatite material for surgical application may depend
of the presence of trace elements, foreign crystalline phases and crystallinity ratio. Amorphous
calcium phosphate, tetracalcium phosphate, α-tricalcium phosphate and β-tricalcium phosphate have
demonstrated to have a higher solubility and may resorb more rapidly than hydroxyapatite in the body.
CaO and heavy metals may impair the biocompatibility of the material. As a consequence, it is important
to assess the composition of the material.
In this field, the assessment of the different crystalline and amorphous phase components has been
under continuing development (of both equipment and processing software). In this document a new
method for measuring the crystallinity ratio of hydroxyapatite is introduced and the Rietveld method
is introduced as an alternative method for measuring the foreign phase content.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13779-3:2018(E)
Implants for surgery — Hydroxyapatite —
Part 3:
Chemical analysis and characterization of crystallinity
ratio and phase purity
1 Scope
This document specifies methods of test for the chemical analysis, assessment of crystallinity ratio and
phase composition of hydroxyapatite-based materials such as powders, coating or bulk products.
NOTE These tests are intended to describe properties of the material and to communicate these between
organizations. These tests are not written with the objective of replacing a company’s internal operational and
assessment tests although they could be used as such.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 3310-1, Test sieves — Technical requirements and testing — Part 1: Test sieves of metal wire cloth
ISO 3696, Water for analytical laboratory use — Specification and test methods
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
calibration curve
calculating plot translating the ratio of integrated intensity of foreign phases, measured on the X-ray
diffraction pattern into the mass fraction of foreign phases compared to crystalline hydroxyapatite
3.2
detection limit
DL
lowest quantity of the foreign phase or trace element that can be distinguished from the absence of that
foreign phase or trace element
Note 1 to entry: Requirements and procedure for estimating the detection limit of foreign phases is established
in 5.6.3.
3.3
quantification limit
QL
lowest quantity of the foreign phase or trace element that can be quantified
Note 1 to entry: Requirements and procedure for estimating the quantification limit of foreign phases is
established in 5.6.3.
3.4
height
distance between the peak summit and the base line of the X-ray diffraction pattern from which the
background has been subtracted
3.5
integrated intensity
area between the plot of the peak and the base line of the X-ray diffraction pattern from which the
background has been subtracted
3.6
scraping
removal of the coating from the base material minimising contamination from of the base material itself
3.7
s i g n a l: noi s e r at io
height of a peak of the x-ray diffraction pattern divided by the maximum deviation of the base line
oscillation
Note 1 to entry: The height of each peak of the X-ray diffraction pattern divided by the maximum deviation of the
base line oscillation near to the peak location, in an area not likely to present a crystalline phase peak.
3.8
α-tricalcium phosphate
α-TCP
chemical compound with a crystallographic structure characterized by IC DD PDF 09-0348
Note 1 to entry: The chemical formula is Ca (PO ) .
3 4 2
3.9
β-tricalcium phosphate
β-TCP
chemical compound with a crystallographic structure characterized by IC DD PDF 09-0169
Note 1 to entry: The chemical formula is Ca (PO ) .
3 4 2
3.10
hydroxyapatite
HA
chemical compound with a crystallographic structure characterized by IC DD PDF 09-0432 or IC DD
PDF 72-1243
Note 1 to entry: The chemical formula is Ca (OH)(PO )
5 4 3.
3.11
tetracalcium phosphate
TTCP
chemical compound with a crystallographic structure characterized by IC DD PDF 25-1137 or IC DD
PDF 70-1379
Note 1 to entry: The chemical formula is Ca (PO ) O.
4 4 2
2 © ISO 2018 – All rights reserved
3.12
calcium oxide
CaO
chemical compound with a crystallographic structure characterized by ICDD PDF 4-0777 or IC DD
PDF 82-1690
3.13
uncertainty
95 % confidence interval of the measurement, taking into account reproducibility of the measurement
3.14
crystallinity ratio
ratio between the sum of integrated intensities of a selection of peaks of HA in the sample and the sum
of integrated intensities of the same peaks of HA after calcination of the sample at 1 000 °C for 15 h
Note 1 to entry: Sometimes crystallinity is defined as the ratio between the mass fraction of crystalline HA and
the total mass fraction of HA (crystalline and amorphous). However, in this standard there is no method given to
measure the total mass fraction of HA. For this reason, the term crystallinity ratio, as defined above, instead of
crystallinity is used.
3.15
background
signal produced by the non-diffracted X-ray beam
Note 1 to entry: This is illustrated in Figure 1.
3.16
noise
variation of the signal intensity produced by the X-ray apparatus
Note 1 to entry: This is illustrated in Figure 1.
3.17
foreign crystalline phases
crystalline phases other than hydroxyapatite, being detectable by X-ray diffraction analysis and
consisting of tetracalcium phosphate, α-tricalcium phosphate, β-tricalcium phosphate, and calcium
oxide (CaO)
Key
1 background
2 noise
X = 2 theta
Y = counts
Figure 1 — Illustration of background and noise
4 Chemical analysis
4.1 General
This clause specifies the methods for determining arsenic, cadmium, lead, mercury, and heavy metals
content in hydroxyapatite-based materials for surgical implants.
Heavy metals content is considered as the sum of lead, mercury, bismuth, arsenic, antimony, tin,
cadmium, silver, copper and molybdenum.
NOTE This list of elements is contained in ISO 13779-6. Comparison of trace elements in an HA coating with
the same trace elements in an HA powder indicates any detriment to the HA by coating process.
This method can also be used to measure calcium and phosphorous to calculate the Ca:P ratio as an
alternative to the X-ray diffraction method detailed in 5.8. The equivalence of such results obtained
from the chemical analysis with the results from the X-ray method should be demonstrated.
There can be a need to analyse other elements (see Annex A).
4.2 Analytical methods
The following methods can be used after validation and determination of detection limit, quantification
limit and measurement tolerances. Each analytical method has its own DL and QL relevant to that
method. An appropriate quantitative analysis apparatus, having a quantification limit which is not less
than the required limit value in the analysed sample, shall be used.
4 © ISO 2018 – All rights reserved
The list is not restrictive:
a) atomic absorption spectroscopy, hydride method;
b) atomic absorption spectroscopy with electro-thermal atomization using matrix modifiers;
EXAMPLE Palladium-magnesium nitrate.
c) flame atomic absorption spectroscopy after complexion and extraction;
d) inductively coupled plasma / mass spectroscopy (ICP-MS);
e) inductively coupled plasma / atomic emission spectroscopy (ICP-AES); or
f) atomic absorption spectroscopy (AAS).
Calibration can be external or based on the standard addition method. If external, the calibration
solution shall contain HA with known content in elemental impurities to take into account the effect of
the HA matrix. The HA concentration used for calibration shall be the same as the HA concentration in
the tested solution.
4.3 Apparatus for chemical analysis
Vessels used shall be either of the following:
4.3.1 Class A glassware. or
4.3.2 PTFE flask (or similar).
The vessels used for dissolution of the sample shall not contaminate the solution.
NOTE For analysis of Mercury, PTFE vessel is suitable to avoid potential contamination of the solution.
Before use they shall be carefully washed with acid and then rinsed with grade 2 water (4.4.1).
4.4 Reagents for chemical analysis
All reagents shall be of analytical quality:
4.4.1 Grade 2 water, according to ISO 3696.
4.4.2 Analytical grade nitric or hydrochloric acid.
4.4.3 Standard solutions of the elements to be determined, prepared either by weighing or from
commercially available standard solutions.
4.5 Procedure
Bulk samples shall be crushed. In the case of coatings, the HA needs to be removed by scraping. Scraping
of coatings and crushing of bulk samples shall be performed to minimize contamination of the sample.
The HA sample shall be dissolved in acid. The mass of the HA sample and acid type and concentration
might need to be adjusted depending on the analytical method used as well as the quantity of the
element to analyse, present in the HA matrix. The mass of the HA sample as well as the type, volume
and concentration of the acid used shall be recorded.
Place ground sample into PTFE or glass flask (4.3), carefully add the acid solution consisting of grade 2
water (4.4.1) and of nitric or hydrochloric acid [4.4.2].
NOTE As a starting point using (1,000 ± 0,001) g of ground sample, (30 ± 0,05) ml of grade 2 water and
(1 ± 0,05) ml of 52,5 w% nitric or hydrochloric acid can be appropriate.
Dilute (e.g. to 50 ml volume) using grade 2 water (4.4.1), seal and shake thoroughly. Ensure that the
sample is totally dissolved. A blank test shall be conducted at the same time.
The solution shall be analysis by a suitable analytical method (4.2).
4.6 Expression of results
Values of impurities which are less than the detection limit shall be expressed as follows:
X < DL,
where X is the analysed chemical element and DL the detection limit expressed in mg/kg.
Values of impurities which are between the detection limit and the quantitation limit shall be expressed
as follows:
DL < X < QL, where X is the analysed chemical element, DL the detection limit expressed in mg/kg, and
QL is the quantitation limit expressed in mg/kg.
For heavy metals content determination, the content of chemical elements below the detection limit
shall be considered as equal to DL. If the value is between DL and QL the QL shall be used.
Values of heavy metal content and impurities which are greater than the detection limit shall be
rounded to the nearest 0,1 mg/kg. The values for each heavy metal impurity shall be reported.
5 X-ray diffraction analysis
5.1 General
The X-ray diffraction (XRD) method described in Clause 5 is based on the comparison of the integrated
intensities of the XRD pattern of a sample with reference materials.
An alternative method is the Rietveld method (see Annex G) for the calculation of the foreign phases
content. The Rietveld method may be used instead of the method described in Clause 5 once correlated
with the integrated intensity method. The QL, DL and accuracy of the Rietveld method shall be
calculated and the difference of the results of the two methods quantified.
5.2 Apparatus
The apparatus shall consist of the following:
5.2.1 Mortar and pestle, in alumina, agate or other suitable material (minimising contamination of
the sample).
5.2.2 38 or 40 micrometre sieve, complying with ISO 3310-1.
5.2.3 Oven, capable of maintaining a temperature of (1 000 ± 25) °C.
5.2.4 Desiccator.
5.2.5 Intensity reference material, to determine instrument intensity, suitable materials include
bulk gold or alumina reference (not in the form of powder, for example NIST SRM 1976).
6 © ISO 2018 – All rights reserved
5.2.6 X-ray diffraction apparatus having a resolution and reproducibility of at least 0,02° on a
2 θ angle scale and allowing the recording of the diffraction peak positions and intensities. A stabilized
power supply is necessary. Software of the diffraction apparatus shall allow adjusting the peaks position,
subtracting the background and measuring the integrated intensities of the peaks over a determined
angular range.
5.3 Preparation of test samples
5.3.1 General
The test samples shall be crushed and sieved so that the particle size does not exceed 40 μm. Care
should be taken not to crush the samples too much as the particle size does have an influence on the
width of the diffraction peaks. It is necessary to minimize any contamination or transformation in
contact with humidity. Keep all the test samples in the desiccator.
5.3.2 Coatings
In the case of coatings, the HA needs to be removed by scraping. Scraping shall be performed to
minimise contamination of the sample.
For thermally sprayed coatings, it is common that the layers near to the coating/substrate interface
contain more amorphous material than those areas far from the interface. Therefore, the sample shall
be taken from a mixture of the whole coating layer to obtain a representative sample of the coating.
5.3.3 Bulk sample
Bulk samples shall be reduced to powder form according to 5.3.1.
5.4 Calibration specimens
The calibration specimens listed below shall be used:
a) Pure β-tricalcium phosphate having an X-ray diffraction pattern as described in ICDD PDF 09-0169.
b) Pure α-tricalcium phosphate having an X-ray diffraction pattern as described in ICDD PDF 9-348.
c) Pure hydroxyapatite having an X-ray diffraction pattern as described in ICDD PDF 9-432 or ICDD
PDF 72-1243.
d) Pure tetracalcium phosphate having an X-ray diffraction pattern as described in ICDD PDF 25-1137
or ICDD PDF 70-1379.
e) Pure calcium oxide having an X-ray diffraction pattern as described in ICDD PDF 4-0777 or ICDD
PDF 82-1690.
Calibration specimens shall be prepared by the methods described in Annex E. They shall comply with
the requirements described in Annex B.
5.5 X-ray diffraction pattern collection
5.5.1 General
The conditions of the X-ray diffraction pattern collection will allow the contribution of the apparatus
to the full width half maximum, detection limit and tolerances to be minimized; these conditions shall
be identical for the test sample and for the mixtures used to prepare the calibration curves. The signal:
noise ratio shall be greater than 20 for peak 211 of HA. If an amorphous hump is visible in the pattern, it
should be subtracted with the background before measuring the noise.
The diffractometer settings shall allow a resolution of 0,02° on a 2 θ angle scale. Peak deconvolution
should be avoided but may be required where overlap of peaks occurs.
The peak integrated intensities of all phases shall be determined to an accuracy greater than 5 %, using
suitable software.
2 θ minimum and maximum limit for integration area of each peak shall be taken so that the full peak
falls between the limits.
NOTE In some cases, it might be necessary to shift the axis in order to center the peak considered in the
2 θ range validated for the measurement of the peak integrated intensity.
The same 2 θ minimum and maximum limits shall be used for the construction of calibration curves
according to 5.6 and for the analysis of samples according to 5.7 and 5.8.
5.5.2 Identification of the crystallized phases
The isolated crystalline phases shall be identified according to their characteristic lines given in the
[1]
respective ICDD files . The selected lines for the construction of calibration curves, foreign phases
content and Ca:P ratio determination could be:
−10
— the line 0.2.10 (d = 2,88 × 10 m) of the β-tricalcium phosphate;
−10
— the line 4.4.1, 1.7.0 (d = 2,905 × 10 m) of the α-tricalcium phosphate;
−10
— the line 0.4.0 (d = 2,995 × 10 m) of the tetracalcium phosphate;
−10
— the line 2.0.0 (d = 2,405 × 10 m) of the calcium oxide;
−10
— the line 2.1.0 (d = 3,08 × 10 m) of the hydroxyapatite.
Other lines may be chosen provided that they do not affect the sensitivity of the determination.
NOTE The quantification of the foreign phases is often difficult to carry out on account of spectral
interference and of broadening of the lines of the foreign phases compared to the reference materials. The
minor tetracalcium phosphate, α-tricalcium phosphate, β-tricalcium phosphate and calcium oxide contents are
determined relative to the reference line of the hydroxyapatite phase which does not interfere with the main
diffraction peaks of these phases.
Annex C shows some X-ray diffraction patterns of HA, TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
5.6 Calibration curves, limits and uncertainties
5.6.1 General
To qualify the X-ray diffraction equipment and method used, calibration curves shall be plotted,
detection limit, qualification limit and uncertainties of the test method shall be determined. This
qualification is effective until the equipment or the method is changed.
The calibration curve represents the foreign phase mass fraction as a function of the respective foreign
phase integrated intensity ratio (R1, R2, R3 and R4) as established in 5.6.2.
Use the calibration specimens described in 5.5 to prepare the samples for X-ray diffraction patterns
required to plot the calibration curve.
At least three X-ray diffraction patterns, as described in 5.5, shall be collected for each calibration mix
required in 5.6.2, for defining each point in calibration curves.
5.6.2 Plotting the calibration curves for the foreign phases
In order to plot the calibration curves of the hydroxyapatite associated with all every foreign phases:
8 © ISO 2018 – All rights reserved
Produce, by weighing and crushing, pure calibration specimen mixtures (see 5.3) of hydroxyapatite and
each foreign phases containing increasing quantities of foreign phases, with at least 5 mass fractions
distributed to the range of expected mass fractions of the foreign phase in the test samples.
As the calibration curves are also used for determinations of the foreign phase detection limits (5.6.3),
the minimum value should be sufficiently low to enable the detection and quantification limits to be
assessed.
Collect the X-ray diffractogram for the 2 θ angle range corresponding to the peaks selected for
hydroxyapatite and for the foreign phase in each sample (e.g. peak 2.1.0 of hydroxyapatite and the
indicated peak for each foreign phase).
Determine the integrated intensity of the selected peaks for hydroxyapatite and foreign phase from
each X-ray diffraction pattern for each sample.
Determine the average integrated intensities for the hydroxyapatite peak and the foreign phase.
For each mass fraction of foreign phase, calculate the foreign phase integrated intensity ratios, R , as
i
follows:
The average integrated intensity ratio for HA/β-TCP:
I
HA
R = (1)
i
I
β-TCP
The average integrated intensity ratio for HA/CaO:
I
HA
R = (2)
i
I
CaO
The average integrated intensity ratio for HA/α-TCP:
I
HA
R = (3)
i
I
α-TCP
The average integrated intensity ratio for HA/TTCP:
I
HA
R = (4)
i
I
TTCP
where
is the average integrated intensity of the peak selected for HA;
I
HA
is the average integrated intensity of the peak selected for β-TCP;
I
β-TCP
is the average integrated intensity of the peak selected for CaO;
I
CaO
is the average integrated intensity of the peak selected for α-TCP;
I
α-TCP
is the average integrated intensity of the peak selected for TTCP;
I
TTCP
Using the R values for each material mixture, plot the calibration curves for each foreign phase.
i
5.6.3 Detection limit (DL) and quantification limit (QL) of foreign phases
Either Method A or Method B shall be used to determine the detection limit and the quantification limit.
Method A
Produce 10 patterns (as described in 5.5) of pure HA (as described in 5.4). Use curve fitting to subtract
the background.
After determining the minimum and maximum 2θ angles for measurement of the integrated intensity
of foreign phases, the integrated intensity of the noise of the patterns shall be measured at the selected
peak positions for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
— Corresponding content TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO shall be determined using calibration curves.
— Calculate the average (X) and standard deviation (s) of the 10 measurements for TTCP, α-TCP, β-TCP
and CaO.
— Calculate the DL as: DL = X + 3s for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
— Calculate the QL as: QL = X + 5s for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
Method B
A widespread procedure to determine the detection limit and the quantification limit is defined through
the signal: noise approach. The signal/noise ratio is considered in terms of height of peaks.
Determination of the signal-to-noise ratio is performed:
— for the Detection limit: establishing the minimum concentration at which the analyte can be reliably
detected. A typical signal: noise ratio, for the DL, is 3:1;
— for the Quantification limit: by establishing the minimum concentration at which the analyte can be
reliably quantified. A typical signal: noise ratio, for the QL, is 5:1.
Produce at least 10 patterns (as described in 5.5), of pure HA (as described in 5.4). Use curve fitting to
subtract the background.
After determining the minimum and maximum 2θ angles for measurement of the integrated intensity
of foreign phases, the mean value of the height of the noise (N) of the patterns, in that range, shall be
measured at the selected peak positions for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
For the determination of DL and QL, for each foreign phase, use the calibration curves:
for each acquisition, consider the % foreign phase amount [%fph] vs the signal: noise (S/N) ratio of that
analysis and that foreign phase, plot a curve and calculate its formula,
S
like an example, =⋅mq%fph + , where m and q are known,
N
S
−q
N
— Calculate DL as: DL= , where S/N=3 for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
m
S
−q
N
— Calculate DL as: QL= , where S/N=5 for TTCP, α-TCP, β-TCP and CaO.
m
5.6.4 Uncertainty for determination of foreign phases content
The expanded uncertainties (U) (at 95 % of confidence) of the determination of the foreign phases
[2]
content shall be determined by a suitable method. The JCGM 100 describes a suitable methodology
for the determination of uncertainties.
10 © ISO 2018 – All rights reserved
5.7 Qualitative and quantitative determination of the foreign phases
5.7.1 Procedure
Produce the X-ray diffraction pattern of the test sample (see 5.5). Measure the integrated intensities of
the peaks selected as described in 5.4, calculate the R1 to R4 ratios and refer to the calibration curves in
order to determine the corresponding content of the foreign phases (see 5.6).
Compare the mean value with DL and QL determined according to 5.6. If the mean value is below the
DL, it shall be recorded on the report “
report. If the mean value is above DL but below the QL, it shall be recorded on the report “≥x and
where x is the DL and y the QL.
5.7.2 Expression of results
The results shall be expressed as a percentage of foreign phases in relation to the crystalline
hydroxyapatite phase.
NOTE The percentage of each foreign phase as determined using the above methods is in relation to the
crystalline HA phase. For samples with amorphous phase, their actual mass percentage in relation to total
crystalline phases and amorphous phase should be lower.
5.8 Calcium to phosphorous (Ca:P) ratio determination
5.8.1 General
The method is based on the premise that, after homogenization and calcination at (1 000 ± 25) °C, the
calcium phosphates having a Ca:P atomic ratio between 1,50 and 2,0 inclusive are expected to form at
the most, two phases:
— α- and/or β-tricalcium phosphate and hydroxyapatite, if the Ca:P ratio is below 1,667;
— hydroxyapatite and calcium oxide, if the Ca:P ratio is above 1,667.
After quantifying the tricalcium phosphate or CaO content in the calcined sample, based on the
chemical formula of HAP, TCP and CaO, it is possible to calculate the molar ratio between calcium and
phosphorous in the sample.
Although X-ray diffraction techniques are the traditional methodology for determining Ca:P ratio,
with the increased accuracy of modern analytical methods, those stated in Clause 4 may be used to
determine Ca:P ratio as an alternative to the X-ray method detailed in this subclause. The equivalence
of such results obtained from the chemical analysis with the results from the X-ray method should be
demonstrated.
NOTE Contamination of the sample might result in the formation of other non-Ca:P phases and alter the
mineralogy. If Ti contamination occurs, then CaTiO might be formed.
5.8.2 Measurements on the sample
Calcine the sample in air at (1 000 ± 25) °C for at least 15 h in a platinum or alumina crucible. Withdraw
the sample from the oven (still at 1 000 °C, or cooled to no lower than 100 °C) and put it immediately
into a desiccator.
Collect an X-ray diffractogram of the sample according to 5.5. If more than one foreign phase is observed
or if the presence of a foreign phase other than β− and/or α-tricalcium phosphate or calcium oxide is
detected (tetracalcium phosphate, calcium pyrophosphate, etc.), recrush the sample and recalcine it.
Calculate the foreign phase content according to 5.7 and calculate the Ca:P ratio by the following
Formula (6):
n
Ca
Ca :P= (6)
n
P
where
n is the number of moles of calcium per g of sample;
Ca
n Is the number of moles of phosphorus per g of sample calculated as:
p
10 31
n =+w w +w + w (7)
)
Ca ( TCPTCP CaO
HA αβ
M M M
HA TCP CaO
αβ;
()
and
n =+w w +w (8)
P HA ( TCPTCP )
αβ
M M
HA TCP
αβ;
()
where
M = 1004,6 g
HA
M = 310,174 g/mol
TCP(α;β)
M = 56,077 g/mol
CaO
and
w is the mass fraction of crystalline HA;
HA
w is the mass fraction of crystalline β-TCP;
βTCP
w is the mass fraction of crystalline α-TCP;
αTCP
w is the mass fraction of crystalline CaO.
CaO
When w , w or w is less than the detection limit, the value should be counted as zero for the
βTCP αTCP CaO
calculation of Ca:P.
5.8.3 Uncertainty of Ca:P measurement
The expanded uncertainty (U) (at 95 % of confidence) of the Ca:P measurement shall be determined
[2]
by a suitable method. The JCGM 100 describes a suitable methodology for the determination of
uncertainty.
The uncertainty of the Ca:P measurement can be derived from the uncertainties of the foreign phases
content as described in Annex F.
5.8.4 Expression of results
The results shall be given by a dimensionless value representing the Ca:P atomic ratio expressed to the
nearest two significant figures.
12 © ISO 2018 – All rights reserved
5.9 Determination of the crystallinity ratio
5.9.1 Rationale on different methods of determination of the crystallinity ratio
In the previous version of this document, published in 2008, the determination of the crystallinity
ratio was based on the measurement of the integrated intensity of ten lines, suitably chosen from the
sample’s X-ray diffraction pattern, and of the ten same lines of a fully crystalline HA powder. As no
internationally recognized fully crystalline HA reference is available, each lab used a different fully
crystallized HA reference. A round Robin test, conducted in 2014, demonstrated a poor inter-laboratory
[3]
reproducibility of this method .
A new method is described in 5.9.2, 5.9.3 and 5.9.4, where the determination of the crystallinity ratio
is based on the measurement of the integrated intensity of ten lines, suitably chosen from the sample’s
X-ray diffraction pattern, and of the same ten lines of the sample after calcination at (1 000 ± 25) °C for
not less than 15 h (fully crystallized sample). The round Robin test conducted in 2014 demonstrated a
[3].
better inter-laboratory reproducibility of this method, compared to the former method
[3]
NOTE 1 Based on the results of a round robin performed crystallinity ratio results are not expected
to change with the new method on average as compared to the method of the 2008 version of this document.
However, some laboratories reported significant differences in the results when comparing the two methods.
Testing laboratories might have to analyse the impact of the new method on their crystallinity ratio results,
compared to the former method. The manufacturer might need to analyse the impact of the crystallinity ratio
results from the new method on the product.
The method of reference is the method described in 5.9.2, 5.9.3 and 5.9.4.
The method described in Annex H, may be used. As the two methods can give different results, the
method used (the method described in 5.9.2, 5.9.3 and 5.9.4 or the method described in Annex H) shall
be reported. For the method described in Annex H, the equivalency of the results with those of the
method described in 5.9.2, 5.9.3 and 5.9.4 shall be verified for low and high crystallinity samples and for
any batch of reference crystalline HA powder used.
NOTE 2 The Rietveld method is introduced in Annex G for the quantification of foreign phases. This method
can allow to determine the mass fraction of the crystalline content (HA, β-TCP, α-TCP, TTCP, CaO) to the total
mass of the sample. This method is not the recommended method to determine the crystallinity ratio as defined
in 3.14.
5.9.2 General
The determination of the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13779-3
Deuxième édition
2018-12
Implants chirurgicaux —
Hydroxyapatite —
Partie 3:
Analyse chimique et caractérisation
du rapport de cristallinité et de la
puréte de phase
Implants for surgery — Hydroxyapatite —
Part 3: Chemical analysis and characterization of crystallinity ratio
and phase purity
Numéro de référence
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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Fax: +41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Analyse chimique . 4
4.1 Généralités . 4
4.2 Méthodes d'analyse . 4
4.3 Appareillage utilisé pour l'analyse chimique . 5
4.4 Réactifs utilisés pour l'analyse chimique . 5
4.5 Mode opératoire . 5
4.6 Expression des résultats . 6
5 Analyse par diffraction de rayons X . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Appareillage. 6
5.3 Préparation des échantillons pour essai . 7
5.3.1 Généralités . 7
5.3.2 Revêtements . 7
5.3.3 Échantillon massif . 7
5.4 Matériaux de référence . 7
5.5 Réalisation du diffractogramme de rayons X . 8
5.5.1 Généralités . 8
5.5.2 Identification des phases cristallisées . 8
5.6 Abaques, limites et incertitude . 8
5.6.1 Généralités . 8
5.6.2 Construction des abaques pour les phases étrangères . 9
5.6.3 Limite de détection (LD) et limite de quantification (LQ) des phases étrangères 10
5.6.4 Incertitude de détermination de la teneur en phases étrangères .11
5.7 Détermination qualitative et quantitative des phases étrangères .11
5.7.1 Mode opératoire .11
5.7.2 Expression des résultats .11
5.8 Détermination du rapport calcium par phosphore (Ca:P) .12
5.8.1 Généralités .12
5.8.2 Mesurages sur l'échantillon .12
5.8.3 Incertitude de mesure de Ca:P .13
5.8.4 Expression des résultats .13
5.9 Détermination du rapport de cristallinité .13
5.9.1 Justification relative aux différentes méthodes de détermination du
rapport de cristallinité .13
5.9.2 Généralités .14
5.9.3 Mode opératoire A .14
5.9.4 Mode opératoire B .14
5.9.5 Incertitude du rapport de cristallinité .15
5.9.6 Expression des résultats .15
6 Rapport d'essai .15
Annexe A (normative) Contamination du phosphate de calcium .17
Annexe B (normative) Essais relatifs à la pureté des phases utilisées dans la réalisation des
abaques .18
Annexe C (informative) Exemples de diffractogrammes de rayons X réalisés à partir de
divers mélanges utilisés pour construire les abaques .20
Annexe D (normative) Positions des raies de l'hydroxyapatite utilisées pour mesurer le
rapport de cristallinité .25
Annexe E (normative) Méthodes de préparation des matériaux de référence .26
Annexe F (informative) Calcul de l'incertitude du rapport Ca:P .29
Annexe G (informative) Analyse quantitative de phases (AQP) par affinement de Rietveld
des données de diffraction X .32
Annexe H (informative) Méthode alternative: Détermination du rapport de cristallinité .34
Bibliographie .35
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l'Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 150, Implants chirurgicaux, sous-
comité SC 1, Matériaux.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 13779-3:2008), qui a fait l'objet
d'une révision technique.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 13779 peut être consultée sur le site Web de l'ISO.
Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent
document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l'adresse www .iso .org/fr/members .html.
Introduction
Il n'existe pas, actuellement, de matériau pour implants chirurgicaux complètement exempt de
réactions indésirables sur le corps humain. Cependant, une longue expérience clinique de l'utilisation
de l'hydroxyapatite a démontré que, si le matériau est utilisé pour des applications appropriées, la
réponse biologique peut être d'un niveau acceptable.
La biocompatibilité et la vitesse de résorption de l'hydroxyapatite pour applications chirurgicales
peuvent dépendre de la présence des éléments traces, des phases cristallines étrangères et du rapport
de cristallinité. Le phosphate de calcium amorphe, le phosphate tétracalcique, le phosphate tricalcique α
et le phosphate tricalcique β se sont révélés présenter une solubilité supérieure et peuvent résorber plus
rapidement que l'hydroxyapatite dans l'organisme. Le CaO et les métaux lourds peuvent compromettre
la biocompatibilité du matériau. Par conséquent, il est important d'évaluer la composition du matériau.
Dans ce domaine, l'évaluation des différents composants des phases cristalline et amorphe a connu
des développements continus (du matériel et du logiciel de traitement). Dans le présent document, une
nouvelle méthode de mesure du rapport de cristallinité de l'hydroxyapatite est introduite et la méthode
de Rietveld est ajoutée comme méthode alternative pour mesurer la teneur en phase étrangère.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13779-3:2018(F)
Implants chirurgicaux — Hydroxyapatite —
Partie 3:
Analyse chimique et caractérisation du rapport de
cristallinité et de la puréte de phase
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie des méthodes d'essai pour l'analyse chimique, l'évaluation du rapport de
cristallinité et de la composition des phases des matériaux à base d'hydroxyapatite comme les poudres,
les revêtements ou les produits massifs.
NOTE Ces essais visent à décrire les propriétés du matériau et à les communiquer entre différents
organismes. Ces essais ne sont pas rédigés en vue de remplacer les essais de fonctionnement et d'évaluation
internes d'une entreprise, bien qu'ils puissent être utilisés comme tels.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 3310-1, Tamis de contrôle — Exigences techniques et vérifications — Partie 1: Tamis de contrôle en
tissus métalliques
ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d'essai
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
abaque
courbe de calcul convertissant le rapport de l'intensité intégrée des phases étrangères, mesurée sur
le diffractogramme de rayons X, par rapport à l'hydroxyapatite cristalline, en fraction massique de
phases étrangères
3.2
limite de détection
LD
quantité minimale de phase étrangère ou d'élément trace qui peut être distinguée de l'absence de cette
phase étrangère ou de cet élément trace
Note 1 à l'article: Les exigences et le mode opératoire applicables à l'estimation de la limite de détection des
phases étrangères sont établis en 5.6.3.
3.3
limite de quantification
LQ
quantité minimale de phase étrangère ou d'élément trace qui peut être quantifiée
Note 1 à l'article: Les exigences et le mode opératoire applicables à l'estimation de la limite de quantification des
phases étrangères sont établis en 5.6.3.
3.4
hauteur
distance entre le sommet de la raie et la ligne de base du diffractogramme de rayons X, dont on a
soustrait le fond continu
3.5
intensité intégrée
aire comprise entre le tracé d'une raie de diffraction et la ligne de base du diffractogramme de rayons
X, dont on a soustrait le fond continu
3.6
grattage
retrait du revêtement de son substrat en réduisant au maximum la contamination par ce même substrat
3.7
rapport signal/bruit
hauteur d'une raie du diffractogramme de rayons X divisée par l'amplitude maximale de l'oscillation de
la ligne de base
Note 1 à l'article: La hauteur de chaque raie du diffractogramme de rayons X divisée par l'écart maximal de
l'oscillation de la ligne de base à proximité de l'emplacement de la raie, dans une zone qui n'est pas susceptible de
présenter une raie de phase cristalline.
3.8
phosphate tricalcique α
α-TCP
composé chimique ayant une structure cristallographique décrite dans la fiche PDF 09‑0348 de l'ICDD
Note 1 à l'article: La formule chimique est Ca (PO ) .
3 4 2
3.9
phosphate tricalcique β
β-TCP
composé chimique ayant une structure cristallographique décrite dans la fiche PDF 09‑0169 de l'ICDD
Note 1 à l'article: La formule chimique est Ca (PO ) .
3 4 2
3.10
hydroxyapatite
HA
composé chimique ayant une structure cristallographique décrite dans la fiche PDF 09‑0432 ou 72‑
1243 de l'ICDD
Note 1 à l'article: La formule chimique est Ca (OH)(PO ) .
5 4 3
3.11
phosphate tétracalcique
TTCP
composé chimique ayant une structure cristallographique décrite dans la fiche PDF 25‑1137 ou 70‑1379
de l'ICDD
Note 1 à l'article: La formule chimique est Ca (PO ) O.
4 4 2
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
3.12
oxyde de calcium
CaO
composé chimique ayant une structure cristallographique décrite dans la fiche PDF 4‑0777 ou 82‑1690
de l'ICDD
3.13
incertitude
intervalle de confiance à 95 % de la mesure, tenant compte de la reproductibilité de mesure
3.14
rapport de cristallinité
rapport entre la somme des intensités intégrées d'une sélection de raies de l'HA de l'échantillon et la
somme des intensités intégrées des mêmes raies de l'HA après calcination de l'échantillon à 1 000 °C
pendant 15 h
Note 1 à l'article: La cristallinité est parfois définie comme étant le rapport entre la fraction massique d'HA
cristalline et la fraction massique d'HA totale (cristalline et amorphe). Cependant, la présente norme ne
donne aucune méthode de mesure de la fraction massique totale d'HA. Pour cette raison, le terme «rapport de
cristallinité», tel qu'il est défini ci‑dessus, est utilisé à la place de «cristallinité».
3.15
fond continu
signal produit par le faisceau de rayons X non diffracté
Note 1 à l'article: Ceci est illustré à la Figure 1.
3.16
bruit
variation de l'intensité du signal produit par le diffractomètre de rayons X
Note 1 à l'article: Ceci est illustré à la Figure 1.
3.17
phases cristallines étrangères
phases cristallines différentes de l'hydroxyapatite, détectables par analyse par diffraction des rayons
X et constituées de phosphate tétracalcique, de phosphate tricalcique α, de phosphate tricalcique β et
d'oxyde de calcium (CaO)
Légende
1 fond continu
2 bruit
X = 2 θ
Y = coups
Figure 1 — Illustration du fond continu et du bruit
4 Analyse chimique
4.1 Généralités
Le présent paragraphe spécifie les méthodes de détermination de la teneur en arsenic, cadmium, plomb,
mercure et métaux lourds dans les matériaux à base d'hydroxyapatite pour implants chirurgicaux.
La teneur en métaux lourds est considérée comme étant la somme du plomb, du mercure, du bismuth,
de l'arsenic, de l'antimoine, de l'étain, du cadmium, de l'argent, du cuivre, et du molybdène.
NOTE Cette liste des éléments figure dans l'ISO 13779‑6. La comparaison des éléments trace dans un
revêtement à base d'hydroxyapatite (HA) avec les mêmes éléments trace dans une poudre HA indique tout
préjudice subi par le HA au cours du processus de revêtement.
Cette méthode peut être utilisée afin de mesurer le calcium et le phosphore pour calculer le rapport
Ca:P à la place de la méthode de diffraction des rayons X détaillée en 5.8. Il convient de démontrer
l'équivalence entre les résultats obtenus d'après l'analyse chimique et les résultats de la méthode par
diffraction des rayons X.
Il peut s'avérer nécessaire d'analyser d'autres éléments (voir Annexe A).
4.2 Méthodes d'analyse
Les méthodes suivantes peuvent être utilisées après validation et détermination de la limite de détection,
de la limite de quantification et des tolérances de mesure. Chaque méthode analytique possède sa
propre LD et LQ. Un appareil d'analyse quantitative approprié, ayant une limite de quantification qui
n'est pas inférieure à la valeur limite requise dans l'échantillon analysé, doit être utilisé.
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
La liste n'est pas limitative:
a) spectroscopie d'absorption atomique, méthode des hydrures;
b) spectroscopie d'absorption atomique avec atomisation électrothermique à l'aide de modificateurs
de matrice;
EXEMPLE Nitrate de palladium-magnésium.
c) spectroscopie d'absorption atomique de flamme après complexion et extraction;
d) plasma à couplage inductif/spectroscopie de masse (ICP/MS);
e) plasma à couplage inductif/spectroscopie d'émission atomique (ICP-AES); ou
f) spectroscopie d'absorption atomique (AAS).
L'étalonnage peut être externe ou basé sur la méthode d'ajout dosé. Si la solution d'étalonnage est
externe, elle doit contenir une HA dont la teneur en impuretés élémentaires est connue afin de prendre
en compte les effets de la matrice HA. La concentration de HA utilisée pour l'étalonnage doit être la
même que celle de la solution soumise à essai.
4.3 Appareillage utilisé pour l'analyse chimique
Les récipients utilisés doivent appartenir aux catégories suivantes:
4.3.1 Verrerie de classe A ou
4.3.2 Fiole en polytétrafluoroéthylène (PTFE) (ou équivalent).
Les récipients utilisés pour la dissolution de l'échantillon ne doivent pas contaminer la solution.
NOTE Pour l'analyse du mercure, un récipient en PTFE est approprié afin d'éviter toute contamination
éventuelle de la solution.
Avant utilisation, ils doivent être soigneusement lavés à l'acide puis rincés avec de l'eau de qualité 2
(4.4.1).
4.4 Réactifs utilisés pour l'analyse chimique
Tous les réactifs doivent être de qualité analytique:
4.4.1 Eau de qualité 2, conformément à l'ISO 3696.
4.4.2 Acide nitrique ou chlorhydrique de qualité analytique.
4.4.3 Solutions étalons des éléments à déterminer, préparées soit par pesée, soit à partir de
solutions étalons disponibles dans le commerce.
4.5 Mode opératoire
Les échantillons massifs doivent être broyés. Dans le cas de revêtements, l'hydroxyapatite doit être
retirée par grattage. Le grattage des revêtements et le broyage des échantillons massifs doivent être
réalisés afin de minimiser la contamination de l'échantillon.
L'échantillon de HA doit être dissous dans de l'acide. Il peut être nécessaire d'ajuster la masse de
l'échantillon de HA et le type et la concentration de l'acide en fonction de la méthode d'analyse utilisée,
ainsi que de la quantité d'éléments à analyser, présents dans la matrice HA. La masse des échantillons
de HA, ainsi que le type, le volume et la concentration de l'acide utilisé doivent être consignés.
Placer l'échantillon broyé dans la fiole en PTFE ou en verre (4.3), ajouter précautionneusement la
solution acide composée d'eau de qualité 2 (4.4.1) et d'acide nitrique ou chlorhydrique [4.4.2].
NOTE Utiliser (1,000 ± 0,001) g d'échantillon broyé, (30 ± 0,05) ml d'eau de qualité 2 et (1 ± 0,05) ml d'acide
nitrique ou chlorhydrique à 52,5 %m peut être un point de départ approprié.
Diluer (par exemple jusqu'à un volume de 50 ml) en utilisant de l'eau de qualité 2 (4.4.1), fermer et
agiter soigneusement. Vérifier que l'échantillon est totalement dissous. Un essai à blanc doit être mené
en même temps.
La solution doit être analysée au moyen d'une méthode d'analyse adaptée (4.2).
4.6 Expression des résultats
Les valeurs des impuretés inférieures à la limite de détection doivent être exprimées de la manière
suivante:
X < LD,
où X est l'élément chimique analysé et LD la limite de détection exprimée en mg/kg.
Les valeurs des impuretés qui se situent entre la limite de détection et la limite de quantification doivent
être exprimées de la manière suivante:
LD < X < LQ, où X est l'élément chimique analysé, LD est la limite de détection exprimée en mg/kg, et LQ
est la limite de quantification exprimée en mg/kg.
Pour déterminer la teneur en métaux lourds, la teneur des éléments chimiques inférieure à la limite de
détection doit être considérée comme égale à LD. Si la valeur se situe entre la LD et la LQ, la LQ doit être
utilisée.
Les valeurs de la teneur en métaux lourds et des impuretés supérieures à la limite de détection doivent
être arrondies à 0,1 mg/kg près. Les valeurs de chaque impureté de métaux lourds doivent être
consignées.
5 Analyse par diffraction de rayons X
5.1 Généralités
La méthode par diffraction de rayons X (DRX) décrite dans l'Article 5 repose sur la comparaison des
intensités intégrées du diffractogramme de rayons X d'un échantillon avec celles des matériaux de
référence.
Une méthode alternative est la méthode de Rietveld (voir Annexe G) qui permet de calculer la teneur en
phases étrangères. La méthode de Rietveld peut être utilisée à la place de celle décrite dans l'Article 5
une fois corrélée avec la méthode des intensités intégrées. La LQ, la LD et la précision de la méthode
Rietveld doivent être calculées et la différence de résultat entre les deux méthodes doit être quantifiée.
5.2 Appareillage
L'appareillage doit comprendre les éléments suivants:
5.2.1 Mortier et pilon, en alumine, en agate ou en un autre matériau approprié (réduisant au
maximum la contamination de l'échantillon).
5.2.2 Tamis de 38 µm ou 40 µm, conforme à l'ISO 3310-1.
5.2.3 Four, capable de maintenir une température de (1 000 ± 25) °C.
6 © ISO 2018 – Tous droits réservés
5.2.4 Dessiccateur.
5.2.5 Matériau de référence d'intensité, pour déterminer l'intensité de l'instrument, les matériaux
adaptés incluent l'or massif ou l'alumine de référence (pas sous forme de poudre, par exemple NIST
SRM 1976).
5.2.6 Diffractomètre à rayons X ayant une résolution et une reproductibilité d'au moins 0,02° sur
une échelle d'angle de 2 θ et permettant l'enregistrement des positions et des intensités des raies de
diffraction. Une alimentation stabilisée est nécessaire. Le logiciel du diffractomètre doit permettre
d'ajuster la position des raies, de soustraire le fond continu et de mesurer les intensités intégrées des
raies sur une gamme d'angles déterminée.
5.3 Préparation des échantillons pour essai
5.3.1 Généralités
Les échantillons pour essai doivent être broyés et tamisés de sorte que leur granulométrie ne dépasse
pas 40 μm. Il convient de veiller à ne pas trop broyer les échantillons car la granulométrie a une influence
sur la largeur des raies de diffraction. Il est nécessaire de réduire au maximum toute contamination ou
transformation au contact de l'humidité. Conserver tous les échantillons pour essai dans le dessiccateur.
5.3.2 Revêtements
Dans le cas de revêtements, l'hydroxyapatite doit être retirée par grattage. Le grattage doit être réalisé
afin de minimiser la contamination de l'échantillon.
Pour les revêtements obtenus par projection thermique, il est courant que les couches à proximité
de l'interface revêtement/substrat contiennent un matériau plus amorphe que les zones éloignées de
l'interface. En conséquence, l'échantillon doit être prélevé dans un mélange de couche de revêtement
complète afin d'obtenir un échantillon représentatif du revêtement.
5.3.3 Échantillon massif
Les échantillons massifs doivent être réduits à l'état de poudre conformément à 5.3.1.
5.4 Matériaux de référence
Les matériaux de référence suivants doivent être utilisés:
a) phosphate tricalcique β pur présentant un diffractogramme de rayons X comme décrit dans la fiche
PDF 09-0169 de l'ICDD;
b) phosphate tricalcique α pur présentant un diffractogramme de rayons X comme décrit dans la fiche
PDF 9-348 de l'ICDD;
c) hydroxyapatite pure présentant un diffractogramme de rayons X comme décrit dans la fiche
PDF 9-432 ou 72-1243 de l'ICDD;
d) phosphate tétracalcique pur présentant un diffractogramme de rayons X comme décrit dans la
fiche PDF 25‑1137 ou 70‑1379 de l'ICDD;
e) oxyde de calcium pur présentant un diffractogramme de rayons X comme décrit dans la fiche
PDF 4-0777 ou 82-1690 de l'ICDD.
Les matériaux de référence doivent être préparés selon les méthodes décrites à l'Annexe E. Ils doivent
satisfaire aux exigences décrites dans l'Annexe B.
5.5 Réalisation du diffractogramme de rayons X
5.5.1 Généralités
Les conditions de réalisation du diffractogramme de rayons X devront permettre de réduire au
maximum la contribution de l'appareil à la largeur à mi-hauteur, à la limite de détection et aux tolérances;
ces conditions doivent être identiques pour l'échantillon pour essai et pour les mélanges utilisés pour
préparer les abaques. Le rapport signal/bruit doit être supérieur à 20 pour la raie de diffraction (211)
de l'HA. Si un profil amorphe apparaît sur le diagramme, il convient de soustraire le fond continu avant
de mesurer le bruit.
Les paramètres d'acquisition du diffractomètre doivent permettre une résolution de 0,02° sur une
échelle d'angle de 2 θ. Il convient d'éviter la déconvolution des raies, même si elle peut être nécessaire
en cas de chevauchement de ces dernières.
Les intensités intégrées des raies de toutes les phases doivent être déterminées avec une précision
supérieure à 5 % en utilisant un logiciel approprié.
Les bornes d'intégration minimale et maximale de 2 θ de chaque raie doivent être prises de sorte que la
raie entière se situe entre ces limites.
NOTE Dans certains cas, il peut être nécessaire de décaler l'axe afin de centrer sur la raie de diffraction
considérée dans la gamme de 2 θ validée pour la détermination de l'intensité intégrée de la raie.
Les mêmes limites minimale et maximale de 2 θ doivent être utilisées pour la construction des abaques
selon 5.6 et pour l'analyse des échantillons selon 5.7 et 5.8.
5.5.2 Identification des phases cristallisées
Les phases cristallines isolées doivent être identifiées en fonction de leurs raies caractéristiques
[1]
indiquées dans les fiches de l'ICDD . Les raies sélectionnées pour la construction des abaques et pour
la détermination de la teneur en phases étrangères et du rapport Ca:P peuvent être:
−10
— la raie (0210) (d = 2,88 × 10 m) du phosphate tricalcique β;
−10
— la raie (441), (170) (d = 2,905 × 10 m) du phosphate tricalcique α;
−10
— la raie (040) (d = 2,995 × 10 m) du phosphate tétracalcique;
−10
— la raie (200) (d = 2,405 × 10 m) de l'oxyde de calcium;
−10
— la raie (210) (d = 3,08 × 10 m) de l'hydroxyapatite.
D'autres raies peuvent être sélectionnées à condition qu'elles n'affectent pas la sensibilité de la
détermination.
NOTE La quantification des phases étrangères est souvent difficile à effectuer en raison des interférences
spectrales et de l'élargissement des raies des phases étrangères par comparaison aux matériaux de référence.
Les teneurs mineures en phosphate tétracalcique, en phosphate tricalcique α, en phosphate tricalcique β et en
oxyde de calcium sont déterminées par rapport à la raie de référence de la phase hydroxyapatite qui n'interfère
pas avec les principales raies de diffraction de ces phases.
L'Annexe C illustre des diffractogrammes de rayons X de l'HA, du TTCP, du α-TCP, du β-TCP et du CaO.
5.6 Abaques, limites et incertitude
5.6.1 Généralités
Pour qualifier l'équipement de diffraction de rayons X et la méthode utilisés, des abaques doivent être
tracés, la limite de détection, la limite de qualification et les incertitudes de la méthode d'essai doivent
être déterminées. Cette qualification est efficace jusqu'à un changement d'équipement ou de méthode.
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L'abaque représente la fraction massique des phases étrangères en fonction du rapport des intensités
intégrées des phases étrangères respectives (R1, R2, R3 et R4) tel qu'établi en 5.6.2.
Utiliser les matériaux de référence décrits en 5.5 pour préparer les échantillons relatifs aux
diffractogrammes de rayons X requis pour construire l'abaque.
Au moins trois diffractogrammes de rayons X, tels que décrits en 5.5, doivent être réalisés pour chaque
mélange d'étalonnage requis en 5.6.2, pour définir chaque point sur les abaques.
5.6.2 Construction des abaques pour les phases étrangères
Pour construire les abaques de l'hydroxyapatite associée à chacune des phases étrangères:
Obtenir, par pesée et broyage, des mélanges de matériaux de référence (voir 5.3) d'hydroxyapatite
et de chacune des phases étrangères contenant des quantités croissantes de phases étrangères, avec
au moins 5 fractions massiques réparties sur la gamme de fractions massiques de phases étrangères
prévues dans les échantillons pour essai.
Les abaques étant également utilisés pour déterminer les limites de détection des phases étrangères
(5.6.3), il convient que la valeur minimale soit suffisamment faible pour pouvoir évaluer les limites de
détection et de quantification.
Réaliser le diffractogramme de rayons X pour la gamme d'angles 2 θ correspondant aux raies
sélectionnées pour l'hydroxyapatite et pour la phase étrangère dans chaque échantillon (par exemple la
raie (210) de l'hydroxyapatite et la raie indiquée pour chaque phase étrangère).
Déterminer l'intensité intégrée des raies sélectionnées pour l'hydroxyapatite et la phase étrangère de
chaque diffractogramme de rayons X pour chaque échantillon.
Déterminer les intensités intégrées moyennes pour la raie de l'hydroxyapatite et la phase étrangère.
Pour chaque fraction massique de phase étrangère, calculer les rapports des intensités intégrées des
phases étrangères, R , de la façon suivante:
i
Rapport des intensités intégrées moyennes pour HA/β-TCP:
I
HA
R = (1)
i
I
β-TCP
Rapport des intensités intégrées moyennes pour HA/CaO:
I
HA
R = (2)
i
I
CaO
Rapport des intensités intégrées moyennes pour HA/α-TCP:
I
HA
R = (3)
i
I
α-TCP
Rapport des intensités intégrées moyennes pour HA/TTCP:
I
HA
R = (4)
i
I
TTCP
où
est l'intensité intégrée moyenne de la raie sélectionnée pour HA;
I
HA
est l'intensité intégrée moyenne de la raie sélectionnée pour β-TCP;
I
β-TCP
est l'intensité intégrée moyenne de la raie sélectionnée pour CaO;
I
CaO
est l'intensité intégrée moyenne de la raie sélectionnée pour α-TCP;
I
α-TCP
est l'intensité intégrée moyenne de la raie sélectionnée pour TTCP.
I
TTCP
À l'aide des valeurs R de chaque mélange de matériaux, construire l'abaque correspondant à chaque
i
phase étrangère.
5.6.3 Limite de détection (LD) et limite de quantification (LQ) des phases étrangères
La méthode A ou la méthode B doit être utilisée pour déterminer la limite de détection et la limite de
quantification.
Méthode A
Réaliser 10 diffractogrammes de rayons X (tels que décrits en 5.5) de l'HA pure (telle que décrite en
5.4). Utiliser le logiciel de traitement pour soustraire le fond continu.
Après avoir déterminé les angles 2 θ minimaux et maximaux pour le calcul de l'intensité intégrée des
phases étrangères, l'intensité intégrée du bruit des diagrammes doit être mesurée aux positions des
raies sélectionnées pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
— La teneur correspondante en TTCP, α-TCP, β-TCP et CaO doit être déterminée à l'aide d'abaques.
— Calculer la moyenne (X) et le ou les écarts-types des 10 mesures pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP
et le CaO.
— Calculer la LD comme suit: LD = X + 3s pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
— Calculer la LQ comme suit: LQ = X+ 5s pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
Méthode B
Un mode opératoire courant pour déterminer la limite de détection et la limite de quantification est
défini par le biais de l'approche signal/bruit. Le rapport signal/bruit est considéré en termes de hauteur
de raies.
La détermination du rapport signal/bruit est effectuée:
— pour la limite de détection: en établissant la concentration minimale à laquelle l'analyte peut être
détecté de façon fiable. Un rapport signal/bruit courant pour la LD est de 3/1;
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— pour la limite de quantification: en établissant la concentration minimale à laquelle l'analyte peut
être quantifié de façon fiable. Un rapport signal/bruit courant pour la LQ est de 5/1.
Réaliser au moins 10 diffractogrammes de rayons X (tels que décrits en 5.5) de l'HA pure (telle que
décrite en 5.4). Utiliser le logiciel de traitement pour soustraire le fond continu.
Après avoir déterminé les angles 2 θ minimaux et maximaux pour la mesure de l'intensité intégrée des
phases étrangères, la valeur moyenne de la hauteur du bruit (B) des diagrammes, dans cette gamme,
doit être mesurée aux positions des raies sélectionnées pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
Pour la détermination de la LD et de la LQ, pour chaque phase étrangère, utiliser les abaques:
pour chaque acquisition, considérer le % de quantité de phase étrangère [%qpe] en fonction du rapport
signal/bruit (S/B) de cette analyse et cette phase étrangère, construire une courbe et calculer sa
formule,
S
comme dans l'exemple, =⋅mq%fph + , où m et q sont connus.
N
S
−q
N
— Calculer la LD comme suit: DL= , où S/B = 3 pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
m
S
−q
N
— Calculer la LD comme suit: QL= , où S/B = 5 pour le TTCP, l'α-TCP, le β-TCP et le CaO.
m
5.6.4 Incertitude de détermination de la teneur en phases étrangères
Les incertitudes élargies (U) (à 95 % de confiance) de la détermination de la teneur en phases étrangères
[2]
doivent être obtenues par une méthode appropriée. Le guide JCGM 100 décrit une méthodologie
appropriée pour la détermination des incertitudes.
5.7 Détermination qualitative et quantitative des phases étrangères
5.7.1 Mode opératoire
Réaliser le diffractogramme de rayons X de l'échantillon pour essai (voir 5.5). Mesurer les intensités
intégrées des raies sélectionnées comme décrit en 5.4, calculer les rapports R1 à R4 et se reporter aux
abaques pour déterminer la teneur correspondante des phases étrangères (voir 5.6).
Comparer la valeur moyenne avec la LD et la LQ déterminées selon 5.6. Si la valeur moyenne est
inférieure à la LD, elle doit être consignée sur le rapport sous la forme «
et la LD doit être notée sur le rapport. Si la valeur moyenne est supérieure à la LD mais inférieure à la
LQ, elle doit être consignée sur le rapport sous la forme «≥x et
5.7.2 Expression des résultats
Les résultats doivent être exprimés en pourcentage de phases étrangères par rapport à la phase
hydroxyapatite cristalline.
NOTE Le pourcentage de chaque phase étrangère tel que déterminé en utilisant les méthodes ci-dessus
est fonction de la phase HA cristalline. Pour les échantillons contenant une phase amorphe, il convient que leur
pourcentage en masse réel par rapport aux phases cristallines totales et à la phase amorphe soit moins élevé.
5.8 Détermination du rapport calcium par phosphore (Ca:P)
5.8.1 Généralités
La méthode repose sur l'hypothèse selon laquelle, après homogénéisation et calcination à (1 000 ± 25) °C,
les phosphates de calcium ayant un rapport atomique Ca:P compris entre 1,50 et 2,0 inclus sont censés
former au maximum deux phases:
— du phosphate tricalcique α et/ou β et de l'hydroxyapatite si le rapport Ca:P est inférieur à 1,667;
— de l'hydroxyapatite et de l'oxyde de calcium si le rapport Ca:P est supérieur à 1,667.
Après quantification de la teneur en phosphate tricalcique ou CaO dans l'échantillon calciné, il est
possible de calculer le rapport molaire entre le calcium et le phosphore dans l'échantillon, à partir des
formules chimiques de l'HA, du TCP et du CaO.
Bien que la techniques de diffraction des rayons X soit la méthode traditionnelle pour déterminer le
rapport Ca:P, il est possible, grâce à l'amélioration de la précision des méthodes analytiques actuelles,
d'utiliser les techniques indiquées dans l'Article 4 à la place de la méthode par diffraction des rayons X
détaillée dans ce paragraphe. Il convient de démontrer l'équivalence entre les résultats obtenus d'après
l'analyse chimique et les résultats de la méthode par diffraction des rayons X.
NOTE La contamination de l'échantillon peut provoquer la formation d'autres phases non‑Ca:P et modifier la
structure cristallographique. En cas de contamination par Ti, du CaTiO peut se former.
5.8.2 Mesurages sur l'échantillon
Calciner l'échantillon sous air, à (1 000 ± 25) °C pendant au moins 15 h, dans un creuset en platine ou en
alumine. Sortir l'échantillon du four (maintenu à 1 000 °C ou refroidi à une température supérieure ou
égale à 100 °C) et le placer immédiatement dans le dessiccateur.
Réaliser un diffractogramme de rayons X de l'échantillon selon 5.5. Si plusieurs phases étrangères sont
observées ou si la présence d'une phase étrangère différente du phosphate tricalcique β et/ou α ou de
l'oxyde de calcium est détectée (phosphate tétracalcique, pyrophosphate de calcium, etc.), broyer et
calciner à nouveau l'échantillon.
Calculer la teneur en phases étrangères selon 5.7 et calculer le
...
Questions, Comments and Discussion
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