人工肩关节假体研发实验要求与主要风险.docx

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1、人工肩关节假体研发实验要求与主要风险2023-04-0615:02本文适用于人工肩关节假体,通常包括肱骨部件（如肱骨头、肱骨柄、肱骨衬垫、肱骨托）、关节盂部件（如肩盂衬垫、肩盂托、肩盂头、固定螺钉），通常由钻络铝合金、钛合金、超高分子量聚乙烯、陶瓷材料制成。根据医疗器械分类目录，分类编码为13-04-03,管理类别为In类。人工肩关节假体根据人体肩关节的形态、构造及功能设计，通过外科手术植入人体，代替病损的肩关节，以缓解肩关节疼痛,通过其关节面的几何形状限制关节在一个或多个平面内的平移和旋转运动,达到恢复肩关节功能的目的。通常由肱骨部件（如肱骨柄、肱骨头等）和关节盂部件（如肩盂衬垫、肩盂托等）

2、等组成。产品技术要求一、人工肩关节假体性能研究实验要求1、性能指标1.1 外观1.2 表面缺陷1.3 表面粗糙度（关节面、涂层、锥连接部位）1.4 尺寸及公差（产品部件、关节面、锥连接部位）1.5 金属涂层形貌（厚度、孔隙率、平均孔隙截距）；对于磷酸钙/金属复合涂层，明确双涂层厚度1.6 涂层静态力学性能（拉伸强度和剪切强度）1.7 关节盂锁定机制静态剪切（如适用）1.8 关节运动范围（按照假体系统进行申报时）1.9 无菌1.10 环氧乙烷残留量（如适用）2、化学/材料表征研究2.1 金属材料针对人工肩关节假体产品使用的金属材料（如钛合金、钻络铝合金等），需明确其材料牌号，开展符合所用材料对应

3、标准中的相应规定的研究，如化学成分、显微组织、力学性能、耐腐蚀性能（如使用不锈钢材料）等研究。必要时,需开展后续加工过程对材料性能影响的研究。2.2 超高分子量聚乙烯材料针对人工肩关节假体产品使用的超高分子量聚乙烯材料,在满足YY/T0963关节置换植入物肩关节假体、YY/T0811外科植入物用大剂量辐射交联超高分子量聚乙烯制品标准要求、GB/T19701.1超高分子量聚乙烯第1部分：粉料、GB/T19701.2超高分子量聚乙烯第2部分：模塑料等标准的前提下，需针对产品所用材料选取表1中适用项目开展研究。表1超高分子量聚乙烯材料相关性能性能普通超高分子量聚乙烯高交联超高分子量聚乙烯含抗氧化剂高

4、交联超高分子量聚乙烯推荐测试标准密度ISO1183-1ASTMD792抗拉强度拉伸性能屈服强度ISO527-1ASTMD638断裂伸长率抗冲击性能简支梁冲击强度ISO11542-2性能普通超高分子量聚乙烯高交联超高分子量聚乙烯含抗氧化剂高交联超高分子量聚乙烯推荐测试标准悬臂梁冲击强度二者选其一(仲裁时选取简支梁试验)ASTMF648,AnnexA1形态学测试YY0502YY/T0772.5ISO5834-5ASTMF648zAnnexA2氧化指数SOIOIYY0502YY/T0772.4ISO5834-4ASTMF2102反式亚乙烯指数(TVI)YY/T0814性能普通超高分子量聚乙烯高交联超

5、高分子量聚乙烯含抗氧化剂高交联超高分子量聚乙烯推荐测试标准ASTMF2381能结晶度熔点YY/T0815ASTMF2625极限载荷YY/T1430ASTMF2183ASTMF2977疲劳裂纹扩展ASTME647压缩模量ASTMD695弹性模量YY/T0811溶胀度YY/T0813ASTMD2765orF2214性能普通超高分子量聚乙烯高交联超高分子量聚乙烯含抗氧化剂高交联超高分子量聚乙烯推荐测试标准剩余自由基电子顺磁共振波谱法(EPR);电子自旋共振谱法(ESR)加速老化后性能拉伸性能YY0502YY/T0772.3ISO5834-3ASTMF2003抗冲击性能氧化指数形态学测试对于高交联超高

6、分子量聚乙烯材料,需开展超高分子量聚乙烯类型、辐照类型(Y射线或电子束)、辐照剂量、交联后热处理工艺过程(如重熔或退火,时间和温度）、机械热处理过程的压缩比等研究。评估交联工艺对材料磨损性能的影响（如磨损率、磨损表面形貌、磨损失效模式、磨屑分析等）、力学性能、生物学特性等的影响。对于含抗氧化剂高交联超高分子量聚乙烯，需开展超高分子量聚乙烯类型、抗氧化剂的成分、抗氧化剂的添加方法（如与粉末混合或型材渗透、工艺过程中添加的稳定剂和助剂等相关信息）、辐照类型（Y射线或电子束）、辐照剂量、交联后热处理工艺过程（时间、温度，如重熔或退火）、机械热处理过程的压缩比等研究。此外，还需开展以下研究：抗氧化剂的

7、浓度、抗氧化剂在材料中的稳定性（在加载和/或体液环境下，随着时间推移抗氧化剂可能逐渐析出）、抗氧化剂对材料磨损性能的影响（如磨损率、磨损表面形貌、磨损失效模式、磨屑分析等）、抗氧化剂对材料固化的影响（材料成型后的形态学分析）、生物学特性评价等。2.3 陶瓷材料对于人工肩关节假体产品使用的陶瓷材料，需明确其物理化学性能，需开展符合所用材料对应标准中的相应规定的研究。2.4 部件表面处理2.4.1 喷砂处理如生产工艺中对部件采用喷砂处理（预期增加骨长上效果），需开展喷砂工艺验证，宜考虑表面形貌、粗糙度、喷砂颗粒物残留等相关因素；对于采用骨水泥固定的假体，分析论证产品表面形貌对喷砂部件与骨水泥固定强

8、度的影响，开展相应研究。2.4.2 表面涂层对于含表面涂层的假体，需开展涂层制备工艺流程图及关键工序的质量控制点,开展涂层的成分、厚度、形貌分析、涂层与基体的结合强度、涂层制备工艺对基体材料的影响、骨长入情况等研究。羟基磷灰石涂层需开展符合GB23101.2外科植入物羟基磷灰石第2部分：羟基磷灰石涂层标准规定的理化性能研究。对于金属涂层，需按照YY/T0988.14外科植入物用多孔涂层立体学评价的试验方法标准规定涂层厚度、孔隙翦口平均孔隙截距的要求,开展相应研究。按照YY/T0988.12磷酸钙涂层和金属涂层的剪切试验方法、YY/T0988.11磷酸钙涂层和金属涂层的拉伸试验方法、YY/T09

9、88.13磷酸钙涂层、金属涂层和磷酸钙/金属复合涂层的剪切疲劳试验与弯曲疲劳试验方法和ASTMF1978使用Taber研磨机测试金属热喷涂涂层耐磨性的试验方法标准分别进行剪切试验、拉伸试验、剪切疲劳试验，并考虑对涂层的弯曲疲劳性能、耐磨性能等进行评价。等离子喷涂纯钛涂层可参照YY/T1706.1外科植入物金属外科植入物等离子喷涂纯钛涂层第1部分：通用要求标准要求，剪切强度不低于20MPa,拉伸强度不低于22MPa,疲劳试验达到107剪切应力循环不失效。按照ASTMF1978使用Taber研磨机测试金属热喷涂涂层耐磨性的试验方法进行耐磨性能试验,磨损100个周期后，涂层质量损耗总值小于65mg（

10、按重量计）。对于磷酸钙/金属复合涂层，应明确双涂层厚度、金属涂层的孔隙率、平均孔隙截距的确定依据，并开展上述性能的研究。3、物理和机械性能研究对于产品的机械性能研究，开发人需依据产品在各项试验中的受力情况、产品的结构设计、规格尺寸等因素，分别选取最差情况开展试验。3.1 组合式部件连接可靠性研究3.1.1 锥连接部位固定强度采用锥连接结构实现连接固定的组件,如肱骨头/肱骨托与肱骨柄,需考虑锥连接组件的材料、尺寸公差、表面粗糙度等对组件之间固定强度的影响，开展轴向脱出载荷和扭矩的研究,测试使假体组件的固定发生松脱所需要的载荷和扭矩。可根据ASTMF2009用于测定模块化假体锥连接的轴向拆卸力的标

11、准试验方法等标准进行试验研究，或根据产品设计和临床使用制定测试方法。3.1.2 组件锁定强度对于通过机械锁定结构连接的产品组件（如肩盂衬垫/肩盂托、肱骨衬垫/肱骨托等），需结合锁定结构预期承受力模式，考虑组件的材料、锁定结构设计、尺寸规格（如肱骨托/肩盂托、肱骨衬垫/肩盂衬垫的宽度、高度、厚度）等影响因素,通过静态剪切试验（按照YY/T1647关节置换植入物肩关节假体关节盂锁定机制的静态剪切评价试验方法标准进行前后方向和上下方向剪切试验）、脱出试验等评价肩盂衬垫与肩盂托、肱骨衬垫与肱骨托之间的锁定弓也3.1.3 微动腐蚀对于组合式的部件，开发人考虑产品组件材料和临床使用受力情形，对组件之间连接

12、、微动和腐蚀进行两古，并对结果的可接受性进行论证。3.2 人工肩关节假体运动范围按照YY/T0963关节置换植入物肩关节假体标准规定的肱骨部件和肩盂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包含所有旋转模式（屈曲/伸展、内旋/外旋、外展等）的数据，明确人工肩关节假体部件组合的最差情况选择依据。3.3 人工肩关节假体磨损性能人工肩关节假体的磨损性能研究需明确试验设备、安装角度、载荷和运动输入输出曲线、液体润滑介质（抗菌剂选用、润滑液体积、更换周期、变质情况说明等）、循环周期、各个样品的磨损量和磨损率、关节面磨损区麻口形貌等。需明确试验方法、参数设定等内容详细说明及确定依据,分析论证试

13、验结果的可接受性。磨损试验中最差情况产品的选择，需考虑假体类型、设计特点、材料、规格尺寸（如肩盂衬垫/肱骨衬垫厚度、肱骨头/肩盂头直径、关节面曲率半径间隙等）、关节面接触应力和接触面积、运动学、滑动距离等影响因素。对于与国内已上市肩关节产品不具有等同性且无相关应用历史的新的关节面材料及组合、耐磨涂层或关节曲面设计,需进行磨损试验，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YY/T0652植入物材料的磨损聚合物和金属材料磨屑分离和表征标准,并进行生物学特性评价,必要时进行试验,并将其与已成功应用的人工肩关节假体数据进行比较分析，评价其临床安全性和有效性。3.4

14、关节盂松动或分离动态研究考虑假体类型、肩盂托/肱骨托几何形状、规格尺寸（如肩盂衬垫/肱骨衬垫倾角、厚度，肩盂托/肱骨托偏心距、倾角等）、关节面设计（如尺寸、间隙、深度、关节面限制性等）、涂层形貌、固定螺钉的设计（如直径、螺纹型式和数量）等因素，按照YY/T1634关节置换植入物肩关节假体关节盂松动或分离动态评价试验方法标准测试关节面在循环摇摆和扭转的加载情况下，肩盂托/肩盂衬垫背面发生的位移量，评价假体实现初始固定和防止无菌性关节盂松动的能力。3.5 部件动态疲劳试验对于产品相关部件的动态疲劳试验,开发人需依据其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,采用有限元分析或其他已验证的方法进行。351肱骨柄疲劳根据肱骨柄临床植入位置（冠状面和矢状面的倾角和包埋位置）将肱骨柄柄部嵌入测试夹具中，模拟盂肱关节作用力大小和方向,通过肩盂头或肱骨头旋转中心施加循环载荷，明确施加载荷与肩胛平面和肱骨矢状面的角度，并进行支持性资料分析论证所确定的循环次数、疲劳极限的可接受性。必要时,需在不同的载荷水平下建立F-N曲线，确定产品的疲劳极限。最差情况选择需考