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　　骨關節炎（OA）是最常見的關節疾病，是關節結構退行性改變的結果。最常受到OA影響的是人體髖關節和膝關節。髖、膝骨關節炎是導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、膝關節OA的需求將大幅增加。針對患者終末期嚴重髖、膝關節OA的治療，全髖關節置換術（THA）和全膝關節置換術（TKA）是經濟有效的手段，有很好的證據表明其治療結果和植入物生存時間是讓人滿意的。

　　90年代至今是中國人工關節發展的重要時期，人工關節置換數量爆發式增長、從事手術的醫生數量劇增、人工關節相關學術團體和組織不斷涌現、相關基礎研究、手術技術和產品不斷推陳出新。雖然目前中國暫無基于關節登記系統的可靠流行病學調查，但據翁習生教授于2019第七屆中國髖關節外科學術大會（CHS）報告，通過對國內外各假體廠商登記數據的粗略匯總，2018年中國年人工關節置換量已達698583例，相比2017年增長23%，2018年全膝關節置換量近25萬例，較2017年增長約30%，國產品牌膝關節假體植入量增長迅猛。

　　全膝關節假體系統通常包括股骨部件（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）、膝關節填充塊、袖套等，如圖1A、B所示。

　　圖1 全膝關節系統及部件示意圖

　　全膝關節假體的應用現狀

　　雖然全膝關節的長期療效得到公認，超過80%的膝關節置換手術可以持續25年，翻修率和生存率令人滿意。但隨著肥胖、相對年輕患者置換需求的增長，全膝關節假體臨床使用壽命也需要更加長久。根據國內外的相關報道，TKA術后失敗的主要原因包括：假體松動、感染、疼痛、假體不穩、對線不良、磨損、假體周圍骨折、脫位、假體斷裂等。手術失敗可能是多種因素共同作用的結果，包括醫生技術因素、手術適應證選擇不當、患者全身或局部因素等。另外，不可忽視人工關節假體本身的因素。假體問題可對患者健康產生威脅或引起手術早期失敗，造成制造商對產品召回的情況出現。因此，在全膝關節假體系統設計開發確認時應該對產品的相關功能試驗進行充分評估。

　　目前，國內應用的全膝關節假體進口產品較多，國產企業進口替代熱情較高，同類產品大多處于研發生產過程中。本文通過介紹全膝關節假體系統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試驗以及產品磨損試驗等體外功能評價方法和國內外相關標準，以便于制造商開發時評價產品臨床前使用的安全性和有效性。

　　產品體外功能性能評估方法及標準

　?。ㄒ唬┤リP節假體系統體外功能試驗相關標準（見表1）

　　表1 全膝關節假體系統體外功能試驗相關標準

　　（二）全膝關節假體系統部件動態疲勞試驗

　　雖然全膝關節假體產品所用的原材料均應符合相關國際、國家及行業標準，YY0502《膝關節假體》對材料相關性能，如材料化學成分、顯微組織、力學性能、內部質量等項目進行了規定并要求符合，但由于產品的結構設計（如假體的限制程度不同、運動學差異）、生產工藝（如鑄造工藝穩定性及可能存在的產品形態矯正）、假體植入對線不良等，都會對全膝關節部件的使用壽命產生影響。根據文獻報道，全膝關節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 全膝關節假體部件失效模式及舉例

　　因此，對于全膝關節假體相關部件，制造商應采用動態疲勞試驗進行評估。依據其在各項試驗中的工況分別選取“最差情況”（worsecase）開展試驗?！白畈钋闆r”（worsecase）的選擇應結合產品的預期性能、設計特點、相應測試方法，采用有限元分析或其他已驗證的方法進行。部件動態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標準規定的方法進行（如圖3a所示）。當采用有限元等仿真方法選取“最差情況”（worsecase）時，可參照ASTMF3334標準的方法進行分析。作為“最差情況”（worsecase）的5個樣件，每一個樣件應在最大載荷900N和107次循環次數下試驗，且不發生失效，以確定其在相應的加載條件和循環載荷下的疲勞性能。

　　圖3 全膝關節系統各部件動態疲勞試驗示意圖

　　2.股骨髁的疲勞性能

　　美國材料實驗協會（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節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）。中國生物醫學工程學會目前已立項《全膝關節假體股骨髁疲勞測試方法》，制造商可采用適合的方法進行試驗，以確定在相應的加載條件和循環載荷下的疲勞性能（如圖3b所示）。同一系統內各型號規格“最差情況”（worsecase）的選擇，可參照ASTMF3161標準中有限元方法進行分析選取。進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個同規格樣品在確定的疲勞極限載荷下經歷107次循環次數均不發生失效，并提供疲勞極限載荷的可接受依據。必要時，應在不同的載荷水平下建立F-N曲線，并確定107次循環次數的疲勞極限。

　　3.脛骨襯墊的立柱疲勞性能

　　對于采用凸輪-立柱機制實現后交叉韌帶替代型膝關節假體，制造商應結合產品設計和已公開數據，對立柱斷裂的風險進行評估。必要時，進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次循環而不發生失效，并提供疲勞極限載荷的可接受依據?？紤]不同屈曲角度下凸輪-立柱接觸位置、凸輪-立柱結構設計和尺寸（不同規格）等影響因素，選擇“最差情況”（worsecase）進行試驗。

　　4.高屈曲下脛骨襯墊耐久性和抗形變能力

　　制造商如宣稱產品具有高屈曲的特點，應參照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）全膝關節假體系統組合式部件連接可靠性

　　全膝關節假體系統中包含股骨髁、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械鎖定結構連接的全膝關節假體（如脛骨托/脛骨襯墊、髕骨托/髕骨襯墊等），連接機構應具有足夠的完整性以覆蓋預期使用的負載范圍（或合理的部分負載）。建議制造商參照ASTMF1814對組合式部件的連接完整性進行評估，并對結果的可接受性進行論證。必要時可通過靜態和動態剪切試驗、彎曲試驗、拉伸試驗以及其他可能的組合試驗對連接機構的性能進行評價。

　　對于固定平臺脛骨部件，制造商需通過靜態剪切試驗（前后方向和內外方向）、靜態拔出試驗等評價脛骨托與脛骨襯墊之間的鎖定結構強度。對于活動平臺脛骨部件，帶有旋轉限制結構脛骨假體應參照ASTMF2722標準對旋轉限制結構的穩固性進行評估，選取5個樣件并在最大扭矩14Nm和220000次循環次數下試驗。可參照ASTMF2723標準對活動平臺脛骨托/脛骨襯墊進行動態脫離試驗。

　　對于組合式髕骨部件，制造商宜通過靜態拔出試驗和動態剪切試驗評價髕骨托與髕骨襯墊之間的連接結構強度。動態剪切試驗推薦在不同的載荷下選取樣件進行，并建立F-N曲線，且至少保證一個樣件完成107次循環而不發生失效。

　　雖然全膝關節中錐連接間的微動、腐蝕現象的報道較少，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標準對組件之間連接、微動和腐蝕進行評估，并對結果的可接受性進行論證。

　?。ㄋ模┤リP節假體系統運動與約束研究相關的試驗

　　1.產品的相對角運動范圍

　　制造商應按照ISO21536標準規定的股骨部件和脛骨部件之間的相對角運動范圍進行評估。相對角運動范圍的評估應包含所有旋轉模式（屈曲/伸展、內旋/外旋、內翻/外翻）和位移模式（向內/向外、向近端/向遠端、向前/向后）下的數據。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系），0°屈曲角及屈曲伸展、內旋外旋和內外傾運動旋轉軸位置。

　　2.約束度研究資料

　　根據ASTMF1223測定膝關節內外旋轉、前后位移和內側-外側位移的全膝關節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行分析、測試。ASTMF1223包含了對活動平臺膝關節假體的特殊規定，并考慮關節下表面和整個植入物的上下關節面的約束能力測定。

　　系統在最大屈曲角時，應能在預期的生理載荷條件下允許±15°內旋-外旋且不發生半脫位。部分特殊設計的限制型膝關節假體可能不滿足上述要求，但應論述其合理性。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）進行評估。

　?。ㄎ澹┤リP節假體系統關節面接觸面積和接觸應力分布研究及磨損試驗

　　1.全膝關節假體關節面接觸面積和接觸應力分布研究

　　全膝關節假體關節面的磨損與接觸應力、接觸面積相關，通過測試接觸應力、接觸面積有助于預測假體關節面的磨損性能，從而為假體關節面設計改進以及磨損試驗“最差情況”（worsecase）的選擇提供依據。

　　對于脛股關節面，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力和接觸面積，并在90°和最大屈曲角處時帶有0°旋轉和15°內旋/外旋進行試驗。對于內旋外旋活動度具有一定限制的假體，如髁限制型假體，內旋外旋角度可能達不到15°，需根據假體軸向旋轉活動度選擇適宜的角度進行試驗。對于活動平臺假體，應對所有的接觸面（股骨-脛骨襯墊、脛骨襯墊-脛骨托）進行接觸面積和接觸應力的測試。上述接觸應力和接觸面積分布的測試可參照ASTMF2083的方法進行分析或試驗。

　　采用體外試驗方法測試脛股關節面接觸應力和接觸面積時，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、軸向旋轉和內翻外翻自由度。當施加載荷時，脛骨部件可以微調到達平衡位置。將夾具固定在力學試驗機上，使加載軸線通過膝關節假體股骨髁間窩中心或者模擬膝關節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備要求進行傳感器校準和計量。對于壓敏薄膜，需要根據試驗選擇的載荷水平選取相適應的壓力級別薄膜進行測試。將壓力測試裝置的薄膜或傳感器置于關節面之間，預施加載荷觀察接觸區域是否完全在薄膜或傳感器邊界內，在不同的屈曲角度下施加不同的載荷，記錄相應的關節面的接觸應力和接觸面積。上述試驗過程僅描述了屈曲角度和載荷，如模擬體內股骨髁和脛骨部件的相對位置，可進一步考慮在不同屈曲角度下股骨外旋（或脛骨內旋）、前后位移和內翻外翻角度對接觸應力和接觸面積的影響，設置相應的試驗條件測試接觸應力和接觸面積分布。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節假體關節面的接觸應力和接觸面積分布。

　　對于髕股關節面，建議在屈曲角為15°、45°、90°和最大屈曲角度時，在相應的載荷下測試髕股關節面的接觸應力和接觸面積?？蓞⒄誂STMF1672的方法或文獻中描述的方法進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）、試驗設備和材料、測試結果。

　　圖4 接觸應力和接觸面積試驗示意圖

　　2.全膝關節的磨損試驗

　　全膝關節假體的磨損試驗應按ISO14243-1或ISO14243-3、ISO14243-2標準要求進行，提供完整的實驗報告，包括產品說明、試驗設備描述、載荷和運動輸入輸出曲線、浸泡實驗結果、液體介質（抗菌劑選用、潤滑液體積、更換周期、變質情況說明等）、各個樣品的磨損量和磨損率、關節面磨損區域和形貌等。對于實驗過程中與ISO標準不一致的操作、參數設定等給出詳細說明及依據，應與產品設計理念、假體運動學特征、宣稱相對應。磨損試驗中“最差情況”（worsecase）產品的選擇，宜考慮假體類型、設計特點、測試樣品在申報產品族中的代表性、試驗加載方式（力控制和位移控制）、規格尺寸、關節面的接觸應力、接觸面積、滑動距離等影響因素，提供確定的依據。

　　對于新型的關節面材料、耐磨涂層或關節曲面設計，均應進行磨損試驗評估。對磨損量、磨損率、關節面磨損區域和形貌、磨屑的形態和尺寸分布進行表征，可參考ISO17853標準，必要時須進行生物相容性評價；并將其與已成功應用的全膝關節假體數據進行比較分析，評價其臨床安全性和有效性。

　　本文總結了人工全膝關節假體臨床前功能試驗研究評價的重點關注問題和方法。人工全膝關節假體在關節假體置換領域得到了廣泛應用，隨著國產產品的不斷涌現，國內對該領域的基礎研究與臨床應用結合將不斷加快。因此需要加強基礎研究能力，借鑒國外的標準和方法，分析對比國外產品的技術性能，制定出產品科學的技術指標和試驗方法，以確保產品的安全有效性，同時也為注冊申報提供充分的支持性數據。

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(責任編輯：辛悅然)