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

全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)體外功能試驗標(biāo)準(zhǔn)及評估方法介紹發(fā)布時間：2021-10-29（原創(chuàng)2021-10-28CMDE中國器審）

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是最常見的關(guān)節(jié)疾病，是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)退行性改變的結(jié)果，最常受到OA影響的是人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，髖、膝骨關(guān)節(jié)炎是導(dǎo)致全球殘疾的主要原因之一，隨著世界人口老齡化和肥胖的增加，治療髖、膝關(guān)節(jié)OA的需求將大幅增加[1]。針對患者終末期嚴(yán)重髖、膝關(guān)節(jié)OA的治療，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）和全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）是經(jīng)濟(jì)有效的手段，有很好的證據(jù)表明其治療結(jié)果和植入物生存時間是讓人滿意的[2][3]。

90年代至今是中國人工關(guān)節(jié)發(fā)展的重要時期，人工關(guān)節(jié)置換數(shù)量爆發(fā)式增長、從事手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量劇增、人工關(guān)節(jié)相關(guān)學(xué)術(shù)團(tuán)體和組織不斷涌現(xiàn)、相關(guān)基礎(chǔ)研究、手術(shù)技術(shù)和產(chǎn)品不斷推陳出新等[4]。雖然目前中國暫無基于關(guān)節(jié)登記系統(tǒng)的可靠流行病學(xué)調(diào)查，但據(jù)翁習(xí)生教授于2019第七屆中國髖關(guān)節(jié)外科學(xué)術(shù)大會（CHS）報告，通過對國內(nèi)外各假體廠商登記數(shù)據(jù)的粗略匯總，2018年中國年人工關(guān)節(jié)置換量已達(dá)698583例，相比2017年增長23%，2018年全膝關(guān)節(jié)置換量近25萬例，較2017年增長約30%，國產(chǎn)品牌膝關(guān)節(jié)假體植入量增長迅猛[5][6]。

全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)通常包括股骨部件（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，如圖1A、B所示。

圖1全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)及部件示意圖一、全膝關(guān)節(jié)假體的應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然全膝關(guān)節(jié)的長期療效得到公認(rèn)，超過80%的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)可以持續(xù)25年，翻修率和生存率令人滿意[7][8][9]，但隨著肥胖、相對年輕患者置換需求的增長，全膝關(guān)節(jié)假體臨床使用壽命也需要更加長久[10][11]。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)報道[12][13][14]，TKA術(shù)后的失敗的主要原因包括：假體松動、感染、疼痛、假體不穩(wěn)、對線不良、磨損、假體周圍骨折、脫位、假體斷裂等。手術(shù)失敗可能是多種因素共同作用的結(jié)果，包括醫(yī)生技術(shù)因素、手術(shù)適應(yīng)證選擇不當(dāng)、患者全身或局部因素等。另外，不可忽視人工關(guān)節(jié)假體本身的因素，假體問題可對患者健康產(chǎn)生威脅或引起手術(shù)早期失敗，造成制造商對產(chǎn)品的召回[15]。因此，在全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)確認(rèn)時應(yīng)該對產(chǎn)品的相關(guān)功能試驗進(jìn)行充分的評估。

目前，國內(nèi)應(yīng)用的全膝關(guān)節(jié)假體進(jìn)口產(chǎn)品較多，國產(chǎn)企業(yè)進(jìn)口替代熱情較高，同類產(chǎn)品大多處于研發(fā)生產(chǎn)過程中。本文通過介紹全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的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)品磨損試驗等體外功能評價方法和國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以便于制造商開發(fā)時評價產(chǎn)品臨床前使用的安全性和有效性。

二、產(chǎn)品體外功能性能評估方法及標(biāo)準(zhǔn)

（一）全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)體外功能試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）

表1全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)體外功能試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（二）全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)部件動態(tài)疲勞試驗

雖然全膝關(guān)節(jié)假體產(chǎn)品所用的原材料均應(yīng)符合相關(guān)國際、國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，YY0502《膝關(guān)節(jié)假體》對材料相關(guān)性能，如材料化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量等項目進(jìn)行了規(guī)定并要求符合，但由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如假體的限制程度不同、運動學(xué)差異）、生產(chǎn)工藝（如鑄造工藝穩(wěn)定性及可能存在的產(chǎn)品形態(tài)矯正）、假體植入對線不良等，都會對全膝關(guān)節(jié)部件的使用壽命產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)報道，全膝關(guān)節(jié)疲勞破壞的形式主要包括：脛骨托斷裂、股骨髁部件斷裂、凸輪立柱斷裂等（如圖2abcd所示）。

圖2全膝關(guān)節(jié)假體部件失效模式及舉例因此，對于全膝關(guān)節(jié)假體相關(guān)部件，制造商應(yīng)采用動態(tài)疲勞試驗進(jìn)行評估，依據(jù)其在各項試驗中的工況分別選取“最差情況”（worsecase）開展試驗；“最差情況”（worsecase）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，采用有限元分析或其他已驗證的方法進(jìn)行。部件動態(tài)疲勞試驗評估方法包括：

1.脛骨托的疲勞性能

脛骨托的疲勞性能試驗按照ISO14879-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行（如圖3a所示），當(dāng)采用有限元等仿真方法選取“最差情況”（worsecase）時，可參照ASTMF3334標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行分析。作為“最差情況”（worsecase）的5個樣件，每一個樣件應(yīng)在最大載荷900N和107次循環(huán)次數(shù)下試驗，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。

圖3全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)各部件動態(tài)疲勞試驗示意圖2.股骨髁的疲勞性能

美國材料實驗協(xié)會（ASTM）針對股骨髁部件的疲勞性能測試制定了ASTMWK51649《閉合加載條件下全膝關(guān)節(jié)假體金屬股骨部件疲勞測試方法》，該稿目前尚處于草稿階段（DraftUnderDevelopment），中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會目前已立項《全膝關(guān)節(jié)假體股骨髁疲勞測試方法》，制造商可采用適合的方法進(jìn)行試驗，以確定在相應(yīng)的加載條件和循環(huán)載荷下的疲勞性能（如圖3b所示）。同一系統(tǒng)內(nèi)各型號規(guī)格“最差情況”（worsecase）的選擇，可參照ASTMF3161標(biāo)準(zhǔn)中有限元方法進(jìn)行分析選取。進(jìn)行股骨髁疲勞試驗時，推薦在脛骨-股骨屈曲角90°時，選取屬于“最差情況”（worsecase）的5個同規(guī)格樣品在確定的疲勞極限載荷下經(jīng)歷107次循環(huán)次數(shù)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)在不同的載荷水平下建立F-N曲線，并確定107次循環(huán)次數(shù)的疲勞極限。

3.脛骨襯墊的立柱疲勞性能

對于采用凸輪-立柱機(jī)制實現(xiàn)后交叉韌帶替代型膝關(guān)節(jié)假體，制造商應(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，進(jìn)行脛骨襯墊完整的立柱剪切疲勞試驗（如圖3c所示）。推薦在不同的載荷下進(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)?？紤]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”（worsecase）進(jìn)行試驗。

4.高屈曲下脛骨襯墊耐久性和抗形變能力

制造商如宣稱產(chǎn)品具有高屈曲的特點，應(yīng)參照ASTMF2777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（如圖3d所示）。

（三）全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)組合式部件連接可靠性

全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)中包含股骨髁、脛骨襯墊、脛骨托、髕骨假體等多個部件，且需要根據(jù)患者病損程度選擇延長桿、墊塊，因此對于此類組合式的部件間通過機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)連接的全膝關(guān)節(jié)假體（如脛骨托/脛骨襯墊、髕骨托/髕骨襯墊等），連接機(jī)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）。建議制造商參照ASTMF1814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(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行評價。

對于固定平臺脛骨部件，制造商需通過靜態(tài)剪切試驗（前后方向和內(nèi)外方向）、靜態(tài)拔出試驗等評價脛骨托與脛骨襯墊之間的鎖定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對于活動平臺脛骨部件，帶有旋轉(zhuǎn)限制結(jié)構(gòu)脛骨假體應(yīng)參照ASTMF2722標(biāo)準(zhǔn)對旋轉(zhuǎn)限制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性進(jìn)行評估，選取5個樣件并在最大扭矩14Nm和220000次循環(huán)次數(shù)下試驗?？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，制造商宜通過靜態(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(qiáng)度。動態(tài)剪切試驗推薦在不同的載荷下選取樣件進(jìn)行，并建立F-N曲線，且至少保證一個樣件完成107次循環(huán)而不發(fā)生失效。

全膝關(guān)節(jié)中錐連接間的微動、腐蝕現(xiàn)象報道較少，但對連接牢固度的減損造成可能的危害，以及摩擦腐蝕產(chǎn)物對人體的危害仍然不可忽視，對于組合式的部件，制造商可參照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。

（四）全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)運動與約束研究相關(guān)的試驗

1.產(chǎn)品的相對角運動范圍

制造商應(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)行評估。相對角運動范圍的評估應(yīng)包含所有旋轉(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。制造商需闡述如何定義中立位（包括股骨部件、脛骨部件在六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。

2.約束度研究資料

根據(jù)ASTMF1223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°和最大屈曲時對植入物進(jìn)行分析、測試。ASTMF1223包含了對活動平臺膝關(guān)節(jié)假體的特殊規(guī)定，并考慮關(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。

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°內(nèi)旋-外旋且不發(fā)生半脫位。部分特殊設(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，可參照ASTMF2724的試驗方法，對抗脫位能力（旋出或滑出）進(jìn)行評估。

（五）全膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)關(guān)節(jié)面接觸面積和接觸應(yīng)力分布研究及磨損試驗

1.全膝關(guān)節(jié)假體關(guān)節(jié)面接觸面積和接觸應(yīng)力分布研究

全膝關(guān)節(jié)假體關(guān)節(jié)面的磨損與接觸應(yīng)力、接觸面積相關(guān)，通過測試接觸應(yīng)力、接觸面積有助于預(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”（worsecase）的選擇提供依據(jù)。

對于脛股關(guān)節(jié)面，建議在屈曲角為不同角度，如0°、15°、30°、60°、90°和最大屈曲角度時分析或者測試接觸應(yīng)力和接觸面積，并在90°和最大屈曲角處時帶有0°旋轉(zhuǎn)和15°內(nèi)旋/外旋進(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°，需根據(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)力的測試。上述接觸應(yīng)力和接觸面積分布的測試可參照ASTMF2083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，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（如圖4所示），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，脛骨部件可以微調(diào)到達(dá)平衡位置。將夾具固定在力學(xué)試驗機(jī)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)假體制造商推薦的力線對線、傾角（如脛骨部件后傾角）。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。將壓力測試裝置的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)域是否完全在薄膜或傳感器邊界內(nèi)，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，為模擬體內(nèi)股骨髁和脛骨部件的相對位置，可進(jìn)一步考慮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，設(shè)置相應(yīng)的試驗條件測試接觸應(yīng)力和接觸面積分布。此外，除電子壓力測試裝置和壓敏薄膜外，也可采用超聲測量裝置測試膝關(guān)節(jié)假體關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力和接觸面積分布。

對于髕股關(guān)節(jié)面，建議在屈曲角為15°、45°、90°和最大屈曲角度時在相應(yīng)的載荷下測試髕股關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力和接觸面積，可參照ASTMF1672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。

圖4接觸應(yīng)力和接觸面積試驗示意圖2.全膝關(guān)節(jié)的磨損試驗

全膝關(guān)節(jié)假體的磨損試驗應(yīng)按ISO14243-1或ISO14243-3、ISO14243-2標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，提供完整的實驗報告，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、浸泡實驗結(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。對于實驗過程中與ISO標(biāo)準(zhǔn)不一致的操作、參數(shù)設(shè)定等給出詳細(xì)說明及依據(jù)，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”（worsecase）產(chǎn)品的選擇，宜考慮假體類型、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，提供確定的依據(jù)。

對于新型的關(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，可參考ISO17853標(biāo)準(zhǔn)，必要時須進(jìn)行生物相容性評價；并將其與已成功應(yīng)用的全膝關(guān)節(jié)假體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，評價其臨床安全性和有效性。

三、結(jié)語

人工全膝關(guān)節(jié)假體在關(guān)節(jié)假體置換領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文總結(jié)了人工全膝關(guān)節(jié)假體臨床前功能試驗研究評價的重點關(guān)注問題和方法，隨著國產(chǎn)產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)對該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用結(jié)合的將不斷加快，因此需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究能力，借鑒國外的標(biāo)準(zhǔn)和方法，分析對比國外產(chǎn)品的技術(shù)性能，制定出產(chǎn)品科學(xué)的技術(shù)指標(biāo)和試驗方法，以確保產(chǎn)品的安全有效性，同時也為注冊申報提供充分的支持性數(shù)據(jù)。

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