全膝关节假体系统体外功能试验标准及评估方法介绍

发布日期：2022-04-14 阅读次数：12227 作者：国家药监局医疗器械技术审评中心 来源：中国医药报

摘要：

人工全膝关节置换手术效果是由多种因素共同作用的结果，其中关节假体质量是不可忽视的一大因素。由于全膝关节假体系统的质量问题会对患者健康造成较大影响，在产品设计开发确认时，注册申请人应开展相关功能试验对其进行充分评估。本文介绍全膝关节假体系统体外功能评价方法和国内外标准，为企业对产品安全性和有效性进行评价提供参考。

□ 张家振 翟豹

退行性骨关节病（又称骨关节炎）是最常见的关节疾病之一，常见于人体髋关节和膝关节。随着人口老龄化加剧以及肥胖率上升，髋、膝骨关节炎的治疗需求大幅增加。针对终末期髋、膝骨关节炎患者，人工全髋关节置换术和人工全膝关节置换术是较为经济有效的治疗手段。目前，人工全膝关节的长期疗效已得到公认，植入物的翻修率和生存率均达到较好水平。

全膝关节假体系统包括股骨部件（股骨髁、股骨延长柄）、胫骨部件（胫骨衬垫、胫骨托、胫骨延长柄、紧固件）、髌骨部件（一体式髌骨、髌骨托/髌骨衬垫）、膝关节填充块、袖套等。目前，针对上述相关产品的体外功能评价方法和国内外相关标准主要涉及各部件耐久性疲劳试验、部件连接可靠性试验、运动与约束研究的相关试验以及产品磨损试验等（详见表）。

相关部件动态疲劳试验

即使全膝关节假体产品所用的原材料均符合相关国际、国家及行业标准，材料性能（如材料化学成分、显微组织、力学性能、内部质量等）均符合相关规定要求，但若产品的结构设计（如假体的限制程度）不合理、生产工艺（如铸造工艺稳定性）不达标等，人工全膝关节部件的使用寿命都会受到影响。

因此，对于全膝关节假体系统相关部件，注册申请人应采用动态疲劳试验进行评估，依据各部件在各项试验中的工况分别选取“最差情况”开展试验。“最差情况”的选择应结合产品的预期性能、设计特点、相应测试方法等，采用有限元分析或其他已验证的方法进行。根据相关文献报道，人工全膝关节的疲劳破坏形式主要包括胫骨托部件断裂、股骨髁部件断裂、凸轮立柱断裂等，相关部件动态疲劳试验评估方法如下。

胫骨托部件的疲劳性能

胫骨托部件的疲劳性能试验应按照ISO 14879-1标准规定的方法进行。当采用有限元等仿真方法选取“最差情况”时，可参照ASTM F3334标准中的方法进行分析。属于“最差情况”的5个同规格样件应在最大载荷900N和10⁷次循环的条件下进行试验，且不发生失效，以确定其在相应的加载条件和循环载荷下的疲劳性能。

股骨髁部件的疲劳性能

针对股骨髁部件的疲劳性能测试，美国材料与试验协会（ASTM）制定了ASTM WK51649《闭合加载条件下全膝关节假体股骨部件疲劳测试方法》，中国生物医学工程学会目前已对《全膝关节假体股骨髁疲劳测试方法》立项，注册申请人可采用适合的方法进行相关试验，以确定在相应的加载条件和循环载荷下股骨髁部件的疲劳性能。对于同一注册单元内“最差情况”的选择，可参照ASTM F3161标准中有限元方法进行分析选取。在进行股骨髁部件疲劳试验时，推荐在胫骨-股骨屈曲角为90°时，选取属于“最差情况”的5个同规格样件，在确定的疲劳极限载荷下经历10⁷次循环，确保均不发生失效，并提供疲劳极限载荷的可接受依据。必要时，应在不同载荷水平下建立F-N曲线，并确定10⁷次循环次数的疲劳极限。

胫骨衬垫的立柱疲劳性能

对于采用凸轮-立柱机制实现后交叉韧带替代型膝关节假体，注册申请人应结合产品设计和已公开数据，对立柱断裂的风险进行评估。必要时，提供胫骨衬垫完整的立柱剪切疲劳试验报告。推荐在不同的载荷条件下进行试验，并建立F-N曲线，且在确定的疲劳极限载荷下，有至少1个样件完成10⁷次循环而不发生失效，并提供疲劳极限载荷的可接受依据。应考虑在不同屈曲角度下凸轮-立柱接触位置、凸轮-立柱结构设计和尺寸（不同规格）等影响因素，选择“最差情况”进行试验。

高屈曲下胫骨衬垫耐久性和抗形变能力

注册申请人如宣称产品具有高屈曲的特点，应参照ASTM F2777标准中的方法评价胫骨衬垫在高屈曲角度下的耐久性和抗形变能力。

组合式部件连接可靠性评价

由于全膝关节假体系统包含多种部件，对于此类组合式的、部件间通过机械锁定结构连接的产品，连接机构应具有足够的完整性以覆盖预期使用的负载范围（或合理的部分负载）。建议注册申请人参照ASTM F1814标准，对组合式部件的连接完整性进行评估，并对结果的可接受性进行论证。必要时，可通过静态和动态剪切试验、弯曲试验、拉伸试验以及其他可能的组合试验对连接机构的性能进行评价。

对于固定平台胫骨部件，注册申请人需要通过静态剪切试验（前后方向和内外方向）、静态拔出试验等方法评价胫骨托与胫骨衬垫之间的锁定结构强度。

对于活动平台胫骨部件，带有旋转限制结构的胫骨假体应参照ASTM F2722标准，对该结构的稳固性进行评估。应选取5个样件，并在最大扭矩14Nm和22万次循环条件下进行试验。可参照ASTM F2723标准对活动平台胫骨托/胫骨衬垫进行动态脱离试验。

对于组合式髌骨部件，注册申请人应通过静态拔出试验和动态剪切试验评价髌骨托与髌骨衬垫之间的连接结构强度。在开展动态剪切试验时，推荐在不同的载荷条件下选取样件进行，并建立F-N曲线，且保证至少1个样件完成10⁷次循环而不发生失效。

尽管关于全膝关节假体部件连接间的微动、腐蚀现象报道较少，但此类情况会减损部件连接牢固度，且摩擦腐蚀产物会对人体健康造成不容忽视的危害。因此，对于组合式部件，注册申请人可参照ASTM F1875标准，对组件之间连接、微动和腐蚀进行评估，并对结果的可接受性进行论证。

运动与约束研究相关试验

人工全膝关节假体系统运动与约束研究相关试验主要包括相对角运动范围和约束度研究资料等，评估方法如下。

相对角运动范围

注册申请人应按照ISO 21536标准规定的股骨部件和胫骨部件之间的相对角运动范围进行相关评估。相对角运动范围的评估应包含在所有旋转模式（屈曲/伸展、内旋/外旋、内翻/外翻）和位移模式（向内/向外、向近端/向远端、向前/向后）下的数据。股骨部件和胫骨部件之间的相对角运动范围可通过植入物的CAD图纸进行估算。注册申请人需要阐述如何定义中立位（包括股骨部件、胫骨部件在6个自由度的相对位置关系）、0°屈曲角及屈曲伸展、内旋外旋和内外倾运动旋转轴位置。

约束度研究资料

注册申请人应根据ASTM F1223标准，测定膝关节内外旋转、前后位移和内侧-外侧位移时的全膝关节置换假体的约束能力，建议在0°、15°、90°和最大屈曲角时对植入物进行分析与测试。ASTM F1223标准包含了对活动平台膝关节假体的特殊规定，并考虑到关节下表面和整个植入物的上下关节面的约束能力测定。

全膝关节假体系统在最大屈曲角时，应能在预期的生理载荷条件下允许±15°的内旋-外旋，且不发生半脱位。需要注意的是，部分具有特殊设计的限制型膝关节假体可能不满足上述要求，但应论述其合理性。

对于活动平台假体，注册申请人可参照ASTM F2724标准中的试验方法，对产品的抗脱位能力（旋出或滑出）进行评估。

关节面接触面积和接触应力分布研究及磨损试验

全膝关节假体关节面的磨损与接触面积、接触应力相关，通过测试该两项指标，有助于预测假体关节面的磨损性能，从而为假体关节面设计改进以及磨损试验“最差情况”的选择提供依据。

对于胫股关节面，建议在屈曲角为0°、15°、30°、60°、90°和最大屈曲角度时，在相应的载荷下分析或测试接触应力和接触面积，并在90°和最大屈曲角度时带有0°旋转和15°内旋/外旋来进行试验。对于内旋外旋活动度具有一定限制的假体（如髁限制型假体），内旋外旋角度可能达不到15°，此时需要根据假体轴向旋转活动度选择适宜的角度进行试验。对于活动平台假体，应对所有的接触面（股骨-胫骨衬垫、胫骨衬垫-胫骨托）进行接触面积和接触应力测试。上述接触面积和接触应力分布的测试可参照ASTM F2083标准中的方法进行分析或试验。

采用体外试验方法测试胫股关节面接触应力和接触面积时，应将股骨髁和胫骨部件固定在与假体匹配的模拟骨或金属夹具上，胫骨部件夹具可允许具有一定的前后方向、轴向旋转和内翻外翻自由度。当施加载荷时，胫骨部件可以通过微调到达平衡位置。将夹具固定在力学试验机上，使加载轴线通过膝关节假体股骨髁间窝中心或者模拟膝关节假体生产企业推荐的力线对线、倾角（如胫骨部件后倾角）要求。对于电子压力测试装置（如K-scan），需要在试验前按照设备要求进行传感器校准和计量。对于压敏薄膜，需要根据试验选择的载荷水平选取相适应的压力级别薄膜进行测试。将电子压力测试装置的压敏薄膜或传感器置于关节面之间，预施加载荷，观察接触区域是否完全在压敏薄膜或传感器边界内，再在不同的屈曲角度下施加不同的载荷，记录相应的关节面的接触应力和接触面积。上述试验过程仅描述了屈曲角度和载荷，若要模拟体内股骨髁和胫骨部件的相对位置，可进一步研究在不同屈曲角度下股骨外旋（或胫骨内旋）、前后位移和内翻外翻角度对接触应力和接触面积的影响，通过设置相应的试验条件，测试胫股关节面接触面积和接触应力分布。此外，除了电子压力测试装置和压敏薄膜外，还可采用超声测量装置测试膝关节假体关节面的接触面积和接触应力分布。

对于髌股关节面，建议在屈曲角为15°、45°、90°和最大屈曲角度时测试接触应力和接触面积。可参照ASTM F1672标准中的方法或文献中描述的方法进行试验或有限元分析，需要描述具体的测试方法（包括股骨与髌骨的相对位置、加载载荷、固定夹具等）、试验设备和材料、测试结果。

全膝关节假体的磨损试验应按ISO 14243-1、ISO 14243-2、ISO 14243-3标准要求进行，并提供完整的试验报告，包括产品说明、试验设备描述、载荷和运动输入输出曲线、浸泡试验结果、液体介质（抗菌剂选用、润滑液体积、更换周期、变质情况说明等）、各个样品的磨损量和磨损率、关节面磨损区域和形貌等。对于试验过程中与ISO标准要求不一致的操作、参数设定等，需要给出详细说明及依据，且应与产品设计理念、假体运动学特征、宣称相对应。磨损试验中“最差情况”产品的选择，应考虑假体类型、设计特点、测试样品在申报产品族中的代表性、试验加载方式（力控制和位移控制）、规格尺寸、关节面的接触应力、接触面积、滑动距离等影响因素，并提供确定的依据。

对于新型关节面材料、耐磨涂层或关节曲面设计，均应进行磨损试验评估，对磨损量、磨损率、关节面磨损区域和形貌、磨屑的形态和尺寸分布进行表征，可参考ISO 17853标准，必要时应进行生物相容性评价，并将样品与已成功应用的全膝关节假体数据进行比较和分析，以评价其临床安全性和有效性。

当前，国产全膝关节假体系统不断涌现，相关部门、组织和机构需要进一步加强该领域基础研究能力，同时学习借鉴国外的标准和方法，对比、分析国内外相关产品的技术性能，制定出更加科学的产品技术指标和试验方法。相信随着全膝关节假体系统体外功能评价方法和相关标准的不断完善，产品的安全性和有效性将进一步得到保障。