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全膝关节假体系统体外功能试验标准及评估方法介绍

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全膝关节假体系统


(原创 2021-10-28 CMDE 中国器审)


骨关节炎(OA)是最常见的关节疾病,是关节结构退行性改变的结果,最常受到OA影响的是人体髋关节和膝关节,髋、膝骨关节炎是导致全球残疾的主要原因之一,随着世界人口老龄化和肥胖的增加,治疗髋、膝关节OA的需求将大幅增加[1]。针对患者终末期严重髋、膝关节OA的治疗,全髋关节置换术(THA)和全膝关节置换术(TKA)是经济有效的手段,有很好的证据表明其治疗结果和植入物生存时间是让人满意的[2][3]。


90年代至今是中国人工关节发展的重要时期,人工关节置换数量爆发式增长、从事手术的医生数量剧增、人工关节相关学术团体和组织不断涌现、相关基础研究、手术技术和产品不断推陈出新等[4]。虽然目前中国暂无基于关节登记系统的可靠流行病学调查,但据翁习生教授于 2019 第七届中国髋关节外科学术大会 ( CHS ) 报告,通过对国内外各假体厂商登记数据的粗略汇总,2018 年中国年人工关节置换量已达698583例,相比2017年增长 23%,2018年全膝关节置换量近25万例,较2017年增长约30%,国产品牌膝关节假体植入量增长迅猛[5][6]。


全膝关节假体系统通常包括股骨部件(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,如图1A、B所示。


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图1 全膝关节系统及部件示意图



一、全膝关节假体的应用现状


虽然全膝关节的长期疗效得到公认,超过80%的膝关节置换手术可以持续25年,翻修率和生存率令人满意[7][8][9],但随着肥胖、相对年轻患者置换需求的增长,全膝关节假体临床使用寿命也需要更加长久[10][11]。根据国内外的相关报道[12][13][14],TKA术后的失败的主要原因包括:假体松动、感染、疼痛、假体不稳、对线不良、磨损、假体周围骨折、脱位、假体断裂等。手术失败可能是多种因素共同作用的结果,包括医生技术因素、手术适应证选择不当、患者全身或局部因素等。另外,不可忽视人工关节假体本身的因素,假体问题可对患者健康产生威胁或引起手术早期失败,造成制造商对产品的召回[15]。因此,在全膝关节假体系统设计开发确认时应该对产品的相关功能试验进行充分的评估。


目前, 国内应用的全膝关节假体进口产品较多,国产企业进口替代热情较高,同类产品大多处于研发生产过程中。本文通过介绍全膝关节假体系统的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体外功能评价方法和国内外相关标准,以便于制造商开发时评价产品临床前使用的安全性和有效性。


二、产品体外功能性能评估方法及标准


(一)全膝关节假体系统体外功能试验相关标准(见表1)


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表1 全膝关节假体系统体外功能试验相关标准



(二)全膝关节假体系统部件动态疲劳试验


虽然全膝关节假体产品所用的原材料均应符合相关国际、国家及行业标准,YY 0502《膝关节假体》对材料相关性能,如材料化学成分、显微组织、力学性能、内部质量等项目进行了规定并要求符合,但由于产品的结构设计(如假体的限制程度不同、运动学差异)、生产工艺(如铸造工艺稳定性及可能存在的产品形态矫正)、假体植入对线不良等,都会对全膝关节部件的使用寿命产生影响。根据文献报道,全膝关节疲劳破坏的形式主要包括:胫骨托断裂、股骨髁部件断裂、凸轮立柱断裂等(如图2 a b c d 所示)。


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图2 全膝关节假体部件失效模式及举例



因此,对于全膝关节假体相关部件,制造商应采用动态疲劳试验进行评估,依据其在各项试验中的工况分别选取“最差情况”(worse case)开展试验;“最差情况”(worse case)的选择应结合产品的预期性能、设计特点、相应测试方法,采用有限元分析或其他已验证的方法进行。部件动态疲劳试验评估方法包括:


1.胫骨托的疲劳性能


胫骨托的疲劳性能试验按照ISO 14879-1标准规定的方法进行(如图3a所示),当采用有限元等仿真方法选取“最差情况”(worse case)时,可参照ASTM F3334标准的方法进行分析。作为“最差情况”(worse case)的5个样件,每一个样件应在最大载荷900N 和107次循环次数下试验,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。


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2.股骨髁的疲劳性能


美国材料实验协会(ASTM)针对股骨髁部件的疲劳性能测试制定了ASTM WK51649《闭合加载条件下全膝关节假体金属股骨部件疲劳测试方法》,该稿目前尚处于草稿阶段(Draft Under Development),中国生物医学工程学会目前已立项《全膝关节假体股骨髁疲劳测试方法》,制造商可采用适合的方法进行试验,以确定在相应的加载条件和循环载荷下的疲劳性能(如图3b所示)。同一系统内各型号规格“最差情况”(worse case)的选择,可参照ASTM F3161标准中有限元方法进行分析选取。进行股骨髁疲劳试验时,推荐在胫骨-股骨屈曲角90°时,选取属于“最差情况”(worse case)的5个同规格样品在确定的疲劳极限载荷下经历107次循环次数均不发生失效,并提供疲劳极限载荷的可接受依据。必要时,应在不同的载荷水平下建立F-N曲线,并确定107次循环次数的疲劳极限。


3.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,制造商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,进行胫骨衬垫完整的立柱剪切疲劳试验(如图3c所示)。推荐在不同的载荷下进行试验并建立F-N曲线,且在确定的疲劳极限载荷下至少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。考虑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”(worse case)进行试验。


4.高屈曲下胫骨衬垫耐久性和抗形变能力


制造商如宣称产品具有高屈曲的特点,应参照ASTM F2777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(如图3d所示)。


(三)全膝关节假体系统组合式部件连接可靠性


全膝关节假体系统中包含股骨髁、胫骨衬垫、胫骨托、髌骨假体等多个部件,且需要根据患者病损程度选择延长杆、垫块,因此对于此类组合式的部件间通过机械锁定结构连接的全膝关节假体(如胫骨托/胫骨衬垫、髌骨托/髌骨衬垫等),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)。建议制造商参照ASTM F1814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,制造商需通过静态剪切试验(前后方向和内外方向)、静态拔出试验等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,带有旋转限制结构胫骨假体应参照ASTM F2722标准对旋转限制结构的稳固性进行评估,选取5个样件并在最大扭矩14Nm和220000次循环次数下试验。可参照ASTMF2723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,制造商宜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。动态剪切试验推荐在不同的载荷下选取样件进行,并建立F-N曲线,且至少保证一个样件完成107次循环而不发生失效。


全膝关节中锥连接间的微动、腐蚀现象报道较少,但对连接牢固度的减损造成可能的危害,以及摩擦腐蚀产物对人体的危害仍然不可忽视,对于组合式的部件,制造商可参照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。


(四)全膝关节假体系统运动与约束研究相关的试验


1.产品的相对角运动范围


制造商应按照ISO21536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评估。相对角运动范围的评估应包含所有旋转模式(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。制造商需阐述如何定义中立位(包括股骨部件、胫骨部件在六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。


2.约束度研究资料


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


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°内旋-外旋且不发生半脱位。部分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,可参照ASTM F2724的试验方法,对抗脱位能力(旋出或滑出)进行评估。


(五)全膝关节假体系统关节面接触面积和接触应力分布研究及磨损试验


1.全膝关节假体关节面接触面积和接触应力分布研究


全膝关节假体关节面的磨损与接触应力、接触面积相关,通过测试接触应力、接触面积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”(worse case)的选择提供依据。


对于胫股关节面,建议在屈曲角为不同角度,如0°、15°、30°、60°、90°和最大屈曲角度时分析或者测试接触应力和接触面积,并在90°和最大屈曲角处时带有0°旋转和15°内旋/外旋进行试验,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°,需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的测试。上述接触应力和接触面积分布的测试可参照ASTM F2083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,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(如图4所示),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制造商推荐的力线对线、倾角(如胫骨部件后倾角)。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。将压力测试装置的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薄膜或传感器边界内,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,为模拟体内股骨髁和胫骨部件的相对位置,可进一步考虑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,设置相应的试验条件测试接触应力和接触面积分布。此外,除电子压力测试装置和压敏薄膜外,也可采用超声测量装置测试膝关节假体关节面的接触应力和接触面积分布。


对于髌股关节面,建议在屈曲角为15°、45°、90°和最大屈曲角度时在相应的载荷下测试髌股关节面的接触应力和接触面积,可参照ASTM F1672的方法或文献中描述的方法进行试验或有限元分析,需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。


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图4接触应力和接触面积试验示意图


2.全膝关节的磨损试验


全膝关节假体的磨损试验应按ISO 14243-1或ISO 14243-3、ISO 14243-2标准要求进行,提供完整的实验报告,包括产品说明、试验设备描述、载荷和运动输入输出曲线、浸泡实验结果、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。对于实验过程中与ISO标准不一致的操作、参数设定等给出详细说明及依据,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”(worse case)产品的选择,宜考虑假体类型、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,提供确定的依据。


对于新型的关节面材料、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ISO17853标准,必要时须进行生物相容性评价;并将其与已成功应用的全膝关节假体数据进行比较分析,评价其临床安全性和有效性。


三、结语


人工全膝关节假体在关节假体置换领域得到了广泛应用,本文总结了人工全膝关节假体临床前功能试验研究评价的重点关注问题和方法,随着国产产品的不断涌现,国内对该领域的基础研究与临床应用结合的将不断加快,因此需要加强基础研究能力,借鉴国外的标准和方法,分析对比国外产品的技术性能,制定出产品科学的技术指标和试验方法,以确保产品的安全有效性,同时也为注册申报提供充分的支持性数据。


参考文献:


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