全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)體外功能試驗標(biāo)準(zhǔn)及評估方法介紹

9/9全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)體外功能試驗標(biāo)準(zhǔn)及評估方法介紹退行性骨關(guān)節(jié)?。ㄓ址Q骨關(guān)節(jié)炎）是最常見的關(guān)節(jié)疾病之一，常見于人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。隨著人口老齡化加劇以及肥胖率上升，髖、膝骨關(guān)節(jié)炎的治療需求大幅增加。針對終末期髖、膝骨關(guān)節(jié)炎患者，人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)和人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是較為經(jīng)濟(jì)有效的治療手段。目前，人工全膝關(guān)節(jié)的長期療效已得到公認(rèn)，植入物的翻修率和生存率均達(dá)到較好水平。

全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)包括股骨部件（股骨髁、股骨延長柄）、脛骨部件（脛骨襯墊、脛骨托、脛骨延長柄、緊固件）、髕骨部件（一體式髕骨、髕骨托/髕骨襯墊）、膝關(guān)節(jié)填充塊、袖套等。目前，針對上述相關(guān)產(chǎn)品的體外功能評價方法和國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及各部件耐久性疲勞試驗、部件連接可靠性試驗、運動與約束研究的相關(guān)試驗以及產(chǎn)品磨損試驗等（詳見表）。

相關(guān)部件動態(tài)疲勞試驗

即使全膝關(guān)節(jié)假體產(chǎn)品所用的原材料均符合相關(guān)國際、國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，材料性能（如材料化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量等）均符合相關(guān)規(guī)定要求，但若產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如假體的限制程度）不合理、生產(chǎn)工藝（如鑄造工藝穩(wěn)定性）不達(dá)標(biāo)等，人工全膝關(guān)節(jié)部件的使用壽命都會受到影響。

因此，對于全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)相關(guān)部件，注冊申請人應(yīng)采用動態(tài)疲勞試驗進(jìn)行評估，依據(jù)各部件在各項試驗中的工況分別選取“最差情況”開展試驗?！白畈钋闆r”的選擇應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的預(yù)期性能、設(shè)計特點、相應(yīng)測試方法等，采用有限元分析或其他已驗證的方法進(jìn)行。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，人工全膝關(guān)節(jié)的疲勞破壞形式主要包括脛骨托部件斷裂、股骨髁部件斷裂、凸輪立柱斷裂等，相關(guān)部件動態(tài)疲勞試驗評估方法如下。

脛骨托部件的疲勞性能

脛骨托部件的疲勞性能試驗應(yīng)按照ISO14879-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行。當(dāng)采用有限元等仿真方法選取“最差情況”時，可參照ASTMF3334標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行分析。屬于“最差情況”的5個同規(guī)格樣件應(yīng)在最大載荷900N和107次循環(huán)的條件下進(jìn)行試驗，且不發(fā)生失效，以確定其在相應(yīng)的加載條件和循環(huán)載荷下的疲勞性能。

股骨髁部件的疲勞性能

針對股骨髁部件的疲勞性能測試，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）制定了ASTMWK51649《閉合加載條件下全膝關(guān)節(jié)假體股骨部件疲勞測試方法》，中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會目前已對《全膝關(guān)節(jié)假體股骨髁疲勞測試方法》立項，注冊申請人可采用適合的方法進(jìn)行相關(guān)試驗，以確定在相應(yīng)的加載條件和循環(huán)載荷下股骨髁部件的疲勞性能。對于同一注冊單元內(nèi)“最差情況”的選擇，可參照ASTMF3161標(biāo)準(zhǔn)中有限元方法進(jìn)行分析選取。在進(jìn)行股骨髁部件疲勞試驗時，推薦在脛骨-股骨屈曲角為90°時，選取屬于“最差情況”的5個同規(guī)格樣件，在確定的疲勞極限載荷下經(jīng)歷107次循環(huán)，確保均不發(fā)生失效，并提供疲勞極限載荷的可接受依據(jù)。必要時，應(yīng)在不同載荷水平下建立F-N曲線，并確定107次循環(huán)次數(shù)的疲勞極限。

脛骨襯墊的立柱疲勞性能

對于采用凸輪-立柱機制實現(xiàn)后交叉韌帶替代型膝關(guān)節(jié)假體，注冊申請人應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計和已公開數(shù)據(jù)，對立柱斷裂的風(fēng)險進(jìn)行評估。必要時，提供脛骨襯墊完整的立柱剪切疲勞試驗報告。推薦在不同的載荷條件下進(jìn)行試驗，并建立F-N曲線，且在確定的疲勞極限載荷下，有至少1個樣件完成107次循環(huán)而不發(fā)生失效，并提供疲勞極限載荷的可接受依據(jù)。應(yīng)考慮在不同屈曲角度下凸輪-立柱接觸位置、凸輪-立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸（不同規(guī)格）等影響因素，選擇“最差情況”進(jìn)行試驗。

高屈曲下脛骨襯墊耐久性和抗形變能力

注冊申請人如宣稱產(chǎn)品具有高屈曲的特點，應(yīng)參照ASTMF2777標(biāo)準(zhǔn)中的方法評價脛骨襯墊在高屈曲角度下的耐久性和抗形變能力。

組合式部件連接可靠性評價

由于全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)包含多種部件，對于此類組合式的、部件間通過機械鎖定結(jié)構(gòu)連接的產(chǎn)品，連接機構(gòu)應(yīng)具有足夠的完整性以覆蓋預(yù)期使用的負(fù)載范圍（或合理的部分負(fù)載）。建議注冊申請人參照ASTMF1814標(biāo)準(zhǔn)，對組合式部件的連接完整性進(jìn)行評估，并對結(jié)果的可接受性進(jìn)行論證。必要時，可通過靜態(tài)和動態(tài)剪切試驗、彎曲試驗、拉伸試驗以及其他可能的組合試驗對連接機構(gòu)的性能進(jìn)行評價。

對于固定平臺脛骨部件，注冊申請人需要通過靜態(tài)剪切試驗（前后方向和內(nèi)外方向）、靜態(tài)拔出試驗等方法評價脛骨托與脛骨襯墊之間的鎖定結(jié)構(gòu)強度。

對于活動平臺脛骨部件，帶有旋轉(zhuǎn)限制結(jié)構(gòu)的脛骨假體應(yīng)參照ASTMF2722標(biāo)準(zhǔn)，對該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性進(jìn)行評估。應(yīng)選取5個樣件，并在最大扭矩14Nm和22萬次循環(huán)條件下進(jìn)行試驗?？蓞⒄誂STMF2723標(biāo)準(zhǔn)對活動平臺脛骨托/脛骨襯墊進(jìn)行動態(tài)脫離試驗。

對于組合式髕骨部件，注冊申請人應(yīng)通過靜態(tài)拔出試驗和動態(tài)剪切試驗評價髕骨托與髕骨襯墊之間的連接結(jié)構(gòu)強度。在開展動態(tài)剪切試驗時，推薦在不同的載荷條件下選取樣件進(jìn)行，并建立F-N曲線，且保證至少1個樣件完成107次循環(huán)而不發(fā)生失效。

盡管關(guān)于全膝關(guān)節(jié)假體部件連接間的微動、腐蝕現(xiàn)象報道較少，但此類情況會減損部件連接牢固度，且摩擦腐蝕產(chǎn)物會對人體健康造成不容忽視的危害。因此，對于組合式部件，注冊申請人可參照ASTMF1875標(biāo)準(zhǔn)，對組件之間連接、微動和腐蝕進(jìn)行評估，并對結(jié)果的可接受性進(jìn)行論證。

運動與約束研究相關(guān)試驗

人工全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)運動與約束研究相關(guān)試驗主要包括相對角運動范圍和約束度研究資料等，評估方法如下。

相對角運動范圍

注冊申請人應(yīng)按照ISO21536標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的股骨部件和脛骨部件之間的相對角運動范圍進(jìn)行相關(guān)評估。相對角運動范圍的評估應(yīng)包含在所有旋轉(zhuǎn)模式（屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋、內(nèi)翻/外翻）和位移模式（向內(nèi)/向外、向近端/向遠(yuǎn)端、向前/向后）下的數(shù)據(jù)。股骨部件和脛骨部件之間的相對角運動范圍可通過植入物的CAD圖紙進(jìn)行估算。注冊申請人需要闡述如何定義中立位（包括股骨部件、脛骨部件在6個自由度的相對位置關(guān)系）、0°屈曲角及屈曲伸展、內(nèi)旋外旋和內(nèi)外傾運動旋轉(zhuǎn)軸位置。

約束度研究資料

注冊申請人應(yīng)根據(jù)ASTMF1223標(biāo)準(zhǔn)，測定膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)、前后位移和內(nèi)側(cè)-外側(cè)位移時的全膝關(guān)節(jié)置換假體的約束能力，建議在0°、15°、90°和最大屈曲角時對植入物進(jìn)行分析與測試。ASTMF1223標(biāo)準(zhǔn)包含了對活動平臺膝關(guān)節(jié)假體的特殊規(guī)定，并考慮到關(guān)節(jié)下表面和整個植入物的上下關(guān)節(jié)面的約束能力測定。

全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)在最大屈曲角時，應(yīng)能在預(yù)期的生理載荷條件下允許±15°的內(nèi)旋-外旋，且不發(fā)生半脫位。需要注意的是，部分具有特殊設(shè)計的限制型膝關(guān)節(jié)假體可能不滿足上述要求，但應(yīng)論述其合理性。

對于活動平臺假體，注冊申請人可參照ASTMF2724標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法，對產(chǎn)品的抗脫位能力（旋出或滑出）進(jìn)行評估。

關(guān)節(jié)面接觸面積和接觸應(yīng)力分布研究及磨損試驗

全膝關(guān)節(jié)假體關(guān)節(jié)面的磨損與接觸面積、接觸應(yīng)力相關(guān)，通過測試該兩項指標(biāo)，有助于預(yù)測假體關(guān)節(jié)面的磨損性能，從而為假體關(guān)節(jié)面設(shè)計改進(jìn)以及磨損試驗“最差情況”的選擇提供依據(jù)。

對于脛股關(guān)節(jié)面，建議在屈曲角為0°、15°、30°、60°、90°和最大屈曲角度時，在相應(yīng)的載荷下分析或測試接觸應(yīng)力和接觸面積，并在90°和最大屈曲角度時帶有0°旋轉(zhuǎn)和15°內(nèi)旋/外旋來進(jìn)行試驗。對于內(nèi)旋外旋活動度具有一定限制的假體（如髁限制型假體），內(nèi)旋外旋角度可能達(dá)不到15°，此時需要根據(jù)假體軸向旋轉(zhuǎn)活動度選擇適宜的角度進(jìn)行試驗。對于活動平臺假體，應(yīng)對所有的接觸面（股骨-脛骨襯墊、脛骨襯墊-脛骨托）進(jìn)行接觸面積和接觸應(yīng)力測試。上述接觸面積和接觸應(yīng)力分布的測試可參照ASTMF2083標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行分析或試驗。

采用體外試驗方法測試脛股關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力和接觸面積時，應(yīng)將股骨髁和脛骨部件固定在與假體匹配的模擬骨或金屬夾具上，脛骨部件夾具可允許具有一定的前后方向、軸向旋轉(zhuǎn)和內(nèi)翻外翻自由度。當(dāng)施加載荷時，脛骨部件可以通過微調(diào)到達(dá)平衡位置。將夾具固定在力學(xué)試驗機上，使加載軸線通過膝關(guān)節(jié)假體股骨髁間窩中心或者模擬膝關(guān)節(jié)假體生產(chǎn)企業(yè)推薦的力線對線、傾角（如脛骨部件后傾角）要求。對于電子壓力測試裝置（如K-scan），需要在試驗前按照設(shè)備要求進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)和計量。對于壓敏薄膜，需要根據(jù)試驗選擇的載荷水平選取相適應(yīng)的壓力級別薄膜進(jìn)行測試。將電子壓力測試裝置的壓敏薄膜或傳感器置于關(guān)節(jié)面之間，預(yù)施加載荷，觀察接觸區(qū)域是否完全在壓敏薄膜或傳感器邊界內(nèi)，再在不同的屈曲角度下施加不同的載荷，記錄相應(yīng)的關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力和接觸面積。上述試驗過程僅描述了屈曲角度和載荷，若要模擬體內(nèi)股骨髁和脛骨部件的相對位置，可進(jìn)一步研究在不同屈曲角度下股骨外旋（或脛骨內(nèi)旋）、前后位移和內(nèi)翻外翻角度對接觸應(yīng)力和接觸面積的影響，通過設(shè)置相應(yīng)的試驗條件，測試脛股關(guān)節(jié)面接觸面積和接觸應(yīng)力分布。此外，除了電子壓力測試裝置和壓敏薄膜外，還可采用超聲測量裝置測試膝關(guān)節(jié)假體關(guān)節(jié)面的接觸面積和接觸應(yīng)力分布。

對于髕股關(guān)節(jié)面，建議在屈曲角為15°、45°、90°和最大屈曲角度時測試接觸應(yīng)力和接觸面積?？蓞⒄誂STMF1672標(biāo)準(zhǔn)中的方法或文獻(xiàn)中描述的方法進(jìn)行試驗或有限元分析，需要描述具體的測試方法（包括股骨與髕骨的相對位置、加載載荷、固定夾具等）、試驗設(shè)備和材料、測試結(jié)果。

全膝關(guān)節(jié)假體的磨損試驗應(yīng)按ISO14243-1、ISO14243-2、ISO14243-3標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，并提供完整的試驗報告，包括產(chǎn)品說明、試驗設(shè)備描述、載荷和運動輸入輸出曲線、浸泡試驗結(jié)果、液體介質(zhì)（抗菌劑選用、潤滑液體積、更換周期、變質(zhì)情況說明等）、各個樣品的磨損量和磨損率、關(guān)節(jié)面磨損區(qū)域和形貌等。對于試驗過程中與ISO標(biāo)準(zhǔn)要求不一致的操作、參數(shù)設(shè)定等，需要給出詳細(xì)說明及依據(jù)，且應(yīng)與產(chǎn)品設(shè)計理念、假體運動學(xué)特征、宣稱相對應(yīng)。磨損試驗中“最差情況”產(chǎn)品的選擇，應(yīng)考慮假體類型、設(shè)計特點、測試樣品在申報產(chǎn)品族中的代表性、試驗加載方式（力控制和位移控制）、規(guī)格尺寸、關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力、接觸面積、滑動距離等影響因素，并提供確定的依據(jù)。

對于新型關(guān)節(jié)面材料、耐磨涂層或關(guān)節(jié)曲面設(shè)計，均應(yīng)進(jìn)行磨損試驗評估，對磨損量、磨損率、關(guān)節(jié)面磨損區(qū)域和形貌、磨屑的形態(tài)和尺寸分布進(jìn)行表征，可