镍钛形状记忆合金内固定器械标准的发展现状.pdf

22医疗装备 2024 年 2 月第 37 卷第 3 期 Medical Equipment,February.2024,Vol.37,No.3镍钛形状记忆合金内固定器械标准的发展现状聂永胜1，张镭2（通信作者），闫鹏伟1，宋丽霞1，陈大雷2，高海艳1，王毅博2，贺军权2，缪祥文2，胡亚平31兰州西脉记忆合金股份有限公司（甘肃兰州730105）；2甘肃医疗器械检验检测所（甘肃兰州730000）；3甘肃省庆阳市生态环境保护局（甘肃庆阳745000）摘要镍钛形状记忆合金因具有优越的反复使用稳定性、超弹性、低杨氏模量、生物体适应性、耐腐蚀性，被广泛用于制造医疗器械。该研究通过介绍政府相关部门已颁布的与镍钛形状记忆合金内固定器械紧密相关的标准内容，分析标准的特点和不足。结果显示，镍钛合金骨板的标准体系较完善、健全和清晰；对于规范镍钛合金骨科内植入器械的生产、检测、使用和产品质量都具有较高的使用价值，但存在产品标准跟不上产品研发的步伐、标准门槛较低、对产品标准实施力度不够、性能评估不全面和安全性评估不充分等问题。因此，应根据现有工艺技术水平不断提高镍钛形状记忆合金内固定器械标准参数和技术指标，加强行业标准协同制定和人才队伍建设，从而推动镍钛形状记忆合金内固定器械的发展和产品质量的提高。关键词形状记忆合金；内固定器械；标准；超弹性中图分类号R318.08 文献标识码C 文章编号1002-2376（2024）03-0022-05DOI10.3969/j.issn.1002-2376.2024.03.007基金项目：甘肃省药品科研项目（2021GSMPA004）收稿日期：2023-04-26监管与检测Development Status of Nickel Titanium Shape Memory Alloy Internal Fixation Device StandardsNie Yongsheng 1,Zhang Lei 2(Corresponding Author),Yan Pengwei 1,Song Lixia1,Chen Dalei 2,Gao Haiyan 1,Wang Yibo 2,He Junquan 2,Miao Xiangwen 2,Hu Yaping 3.1 Lanzhou Seemine Shape Memory Alloy Co.,Ltd.,Lanzhou Gansu 730105,China;2 Gansu Medical Device Inspection and Testing Institute,Lanzhou Gansu 730000,China;3 Qingyang City Ecological Environment Protection Bureau,Gansu Province,Qingyang Gansu 745000,China【Abstract】With superior repeated use stability,super elasticity,low Youngs modulus,biological adaptability,and corrosion resistance,nickel titanium shape memory alloys are widely used in the manufacturing of medical devices.In this study,the characteristics and shortcomings of the standards closely related to nickel titanium shape memory alloy internal fixation devices that have been issued and formulated in China were analyzed one by one by introducing the content of the standards.The results showed that the standard system for nickel titanium alloy bone plates was relatively complete,perfect,and clear.The standards have high practical value in regulating the production,testing,use,and product quality of nickel titanium alloy orthopedic implants,but there are problems such as product standards not keeping up with the pace of product development,low standard thresholds,insufficient implementation of product standards,incomplete performance evaluation,and insufficient safety evaluation.Therefore,China should continuously improve the standard parameters and technical indicators of nickel titanium shape memory alloy internal fixation devices based on the existing technological level,strengthen the collaborative formulation of industry standards and the construction of talent teams,in order to promote the development of nickel titanium shape memory alloy internal fixation devices and improve product quality.【Key words】Shape memory alloy;Internal fixation instruments;Standards;Hyperelasticity23医疗装备 2024 年 2 月第 37 卷第 3 期 Medical Equipment,February.2024,Vol.37,No.3镍钛形状记忆合金是一种可在低温马氏体下发生变形，加热后恢复至高温奥氏体的材料1-2。现阶段，我国的镍钛形状记忆合金产业发展迅速，已从应用研发阶段进入工业化阶段3。由于镍钛形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和优良的超弹性，在骨科内固定领域已有大量应用，如镍钛形状记忆合金环抱器用于治疗胸骨、指掌骨骨折4-7，伞状支撑器用于治疗股骨头缺血性坏死8，记忆合金髌骨爪和克氏针用于治疗髌骨粉碎性骨折9，髋臼三维记忆内固定系统用于治疗髋臼后壁骨折伴髋臼关节后脱位10。研究表明，镍钛形状记忆合金内固定器械治疗效果明显优于传统治疗方式。汤京龙等11总结了镍钛形状记忆合金材料和植入物领域的国内外标准现状，通过对比相关产品审批要求及已有标准，梳理出审批中有要求但目前尚无标准可依的性能，以促进开展医用镍钛形状记忆合金体外镍离子释放模型等方面标准化研究。目前，国家药品监督管理局已发布了行业标准 YY/T 1823-2022心血管植入物 镍钛合金镍离子释放试验方法12。国家医疗器械监督检验中心等制定了医用镍钛形状记忆合金有关国家标准。兰州西脉记忆合金有限公司等参与制定了镍钛合金板材有色金属行业标准和镍钛记忆合金环抱式接骨器的团体标准。现有标准体系包括镍钛形状记忆合金内固定器械有关的国家标准、行业标准和团体标准，内容涵盖了镍钛形状记忆合金内固定器械有关的化学成分、冶金结构、力学性能、相变温度、恢复率和恢复力等要求和检测方法。1 镍钛形状记忆合金植入物现行标准目前，我国已颁布的有关镍钛形状记忆合金植入物的标准如表 1 所示13-16，标准涵盖了镍钛形状记忆合金内固定器械产品的原材料性能要求和检测方法、用于加工制作内固定器械所用镍钛合金板材主要参数及检测方法、相变温度、恢复率和恢复力测试方法。2 标准介绍及分析GB 24627-2009医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材13由原国家食品药品监督管理局制定，主要适用于制造医疗器械和外科植入物用的镍钛二元结构合金加工材料，是制造记忆合金专用医疗器械的唯一国家强制性标准。该标准等同采用了 ASTMF 2063-05医疗器械和外科植入物用锻造镍钛形状记忆合金标准规范，目前该国际标准已修订至 ASTMF 2063-2018，修订内容主要提高了氧含量及碳含量要求，材料碳元素质量分数由 0.05%降低至 0.04%，氮+氧元素质量分数0.05%降低为氧元素质量分数 0.04%、氮元素质量分数 0.005%。产品分析偏差中，氮元素质量分数允许差由 0.004%降低为 0.001%。镍钛合金驱动丝材被用于图像引导手术机器人、微型手术机器人及微创手术四自由度抓手，因其通过电加热形式驱动，所以标准新增了相变温度（As）70 时的相变公差。As 公差由产品加工温度的 10 内增加为：As 70时，公差 7；-50 As70 时，公差 10；50 时，公差 15，且细化了显微清洁度要求，调整了不同 As 产品范围。国内该标准已于 2019 年提出修订，目前已完成修订，也将于近期发布实施。表 1我国已颁布的有关镍钛形状记忆合金植入物的标准标准号标准名称发布时间起草单位GB24627-2009医 疗 器 械 和外 科 植 入 物用 镍-钛 形状 记 忆 合 金加工材2009 年 有研亿金新材料有限公司国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心YY/T0641-2008热 分 析 法 测量 NiTi 合 金相 变 温 度 的标准方法2009 年 有研亿金新材料有限公司YS/T1076-2015镍钛合金板材 2015 年 西安思维金属材料有限公司有研亿金新材料有限公司兰州西脉记忆合金股份有限公司西部超导材料科技股份有限公司T/CSBM0015-2021镍 钛 形 状 记忆 合 金 骨 板形 状 恢 复 能力测试方法2021 年 兰州西脉记忆合金股份有限公司甘肃省医疗器械检验检测所江阴佩尔科技有限公司上海昕昌记忆合金科技有限公司有研医疗器械（北京）有限公司中国食品药品检定研究院 GB 24627-2009医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材13对材料化学、物理、机械和冶金结构作出了明确规定，并提供了测试方法。该标准对材料化学成分的要求可以确保材料成分符合要求，以保证其生物相容性、物化性能和可靠性。对材料机械性能（如抗拉强度、屈服强度、延伸率等）、热处理性能、超弹性性能等物理性能要求可确保材料在使用过程中具有合适的力学性能和形状记忆效应。对标准化学成分分析、机械性能测试、超弹性性能测试方法的要求旨在确保材料符合标准24医疗装备 2024 年 2 月第 37 卷第 3 期 Medical Equipment,February.2024,Vol.37,No.3规定的质量要求。该标准的颁布实施可以确保医疗器械和外科植入物中使用的镍钛形状记忆合金加工材料具有一定的质量和性能保证，有助于提高医疗器械和外科植入物的安全性和可靠性，保障患者的健康和治疗效果。YY/T 0641-2008热分析法测量 NiTi 合金相变温度的标准方法14由原国家食品药品监督管理局颁布，是采用差式扫描量热仪通过热分析法测试相变温度的医用设备行业推荐性标准，等同 ASTMF 2004热分析法测量镍钛合金相变温度标准方法。标准方法为：先将镍钛合金完全退火，并去除氧化和污染，然后将试验材料放置于差式扫描量热仪的测试区，并施加恒定升降温速率，由于试验材料相变过程中发生吸收或放出热量出现吸、放热峰值，通过检测、记录试验材料和参照材料的能量改变热流量差，从而测试出奥氏体相变开始和终了温度、马氏体相变开始和终了温度。由于需要对被测样品进行标准制样，样品由切割取得（2050 mg），需经过 800 退火 15 min，此过程会破坏原有产品架构，且在样品清洁和去除氧化皮过程中需避免产品冷加工，因此该方法不适用于测量镍钛记忆合金环抱器产品相变温度。该标准的目的是提供一种用于测量镍钛合金的相变温度，以确保测试结果的准确性和可比性的标准化方法。按照 YY/T 0641-2008热分析法测量 NiTi 合金相变温度的标准方法的要求，可以对镍钛合金内固定器械的相变温度进行准确测量和分析，有助于为镍钛形状记忆合金内固定器械应用领域的设计、生产和质量管控提供依据。YS/T 1076-2015钛镍合金板材15规定了制作眼镜架、骨科器械、弹簧等用途的钛镍合金板材要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存和质量证明书及订货单（合同）等内容。标准规定了镍钛二元、镍钛钒、镍钛铬三元合金的化学成分、力学性能、相变温度、平均晶粒度和高低倍组织，并规定了板材的尺寸和外观质量等参数。但由于该标准为有色金属行业标准，化学成分要求低于 GB 24627-2009医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材，因此不能完全用该标准作为骨科内固定器械用镍钛合金板材的标准。该标准对材料化学成分范围、杂质含量、晶粒大小等的要求可以确保合金材料的成分符合要求，以保证其性能和可靠性；对钛镍合金板材的外观要求包括表面质量、平直度、厚度公差等外观和尺寸，可以确保板材的外观质量和尺寸精度符合规定的标准；对钛镍合金板材的抗拉强度、屈服强度、延伸率等机械性能的要求可以确保板材在使用过程中具有合适的强度和韧性；对钛镍合金板材化学成分分析、外观检查、机械性能测试等检验方法的要求可以确保板材符合标准规定的质量要求；对钛镍合金板材的包装、标志和贮存要求可以确保板材在运输和贮存过程中不受损害，并能保持其质量和性能。由于现行标准并未规范骨科内植入物产品的相变温度、恢复率和恢复力测试方法，因此，T/CSBM 0015-2021镍钛形状记忆合金骨板形状能力测试方法规定了镍钛形状记忆合金骨板的相变温度、形状恢复力及形状恢复率。若接骨板不能满足测试，则采用模拟试样代替。相变温度测试是将样品在马氏体状态下塑形，加热到奥氏体状态，采用高精度位移传感器记录加热过程中位移随温度变化数据并绘制曲线，最后通过切线法确定奥氏体转变终了温度（Af）；形状恢复力是将试样及产品置于 05 冰水混合物中完全冷却后，再把试样及产品变形后安装于测量夹具中升温还原至奥氏体状态，记录恢复力测试仪数据；形状恢复率采用弯曲法测试，将试样在马氏体状态下沿着标准芯棒变形，并放入恒温水浴槽内加热至奥氏体状态，通过测量冷却变形位置角度和加热恢复位置角度，利用公式计算形状恢复率。该标准的颁布实施可对镍钛形状记忆合金骨板的形状恢复能力进行准确的测试和评估，有助于了解骨板的形状记忆特性和性能，为医疗器械和机械工程等领域的设计和应用提供依据。现有镍钛形状记忆合金内固定器械标准的实施有助于规范镍钛合金接骨板的材料和检测水平，对于镍钛合金接骨板的安全应用具有重要指导意义。3 标准的不足与发展建议目前，有关镍钛合金骨板的标准已涵盖了团体标准、医药行业标准及国家标准，标准体系完善、健全和清晰，且内容完全，包括镍钛合金骨板相关原材料、型材和产品的化学成分、冶金结构、相变温度、力学性能、形状恢复率和形状恢复力等。但GB 24627-2009医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材和 YY/T 0641-2008热分析法测量 NiTi 合金相变温度的标准方法均为等同采用国际标准，而部分未列入的行业标准也是以国际标准为基础，结合国内产业技术水平25医疗装备 2024 年 2 月第 37 卷第 3 期 Medical Equipment,February.2024,Vol.37,No.3制定。T/CSBM 0015-2021镍钛形状记忆合金骨板形状能力测试方法参照了国际标准制定，且是国内外首先提出镍钛合金骨科内植入物的标准。但该标准主要涉及的产品为应用记忆合金记忆特性的环抱式接骨器，而对于部分应用记忆合金超弹性的非环抱式接骨器未做出有关弹性、恢复力等要求。3.1 标准的不足之处（1）产品标准跟不上产品研发的步伐：随着医疗技术的快速发展，多款记忆合金医疗器械上市并被临床大量使用，包括介入人工生物心脏瓣膜、左心耳封堵器系统、分支型主动脉覆膜支架及输送系统、腹主动脉覆膜支架系统和血管重建装置及脑血栓取出装置等介入器械17和自加压螺钉、椎间融合器和钉角固定器等产品。部分镍钛形状记忆合金产品应用了记忆合金超弹性能，而其结构为非环抱式结构，但其行业内的产品标准尚未建立。因此，需准确掌握镍钛形状记忆合金产业的发展动向，并准确建立关于无标准产品（包括新研制的产品）的行业标准，以保证医疗器械的安全与有效性。（2）产品标准门槛过低：由于基础产业发展和新材料产业技术的进步，新材料加工生产质量与性能均有较大改善，但由于部分生产标准的技术要求与测试手段条款较少，未能及时与产业的技术水平、新材料水平、测试手段与仪器精度等接洽一致，也未能及时与国际市场接轨，从而影响了产品走向国际市场。（3）对产品标准实施力度不够：所有相关标准的实时贯彻执行，与相关管理人员、技术人员、操作人员和检验人员的意识、技术和执行能力密切相关。实施人员的技术能力水平与日益增长的行业技术不相适应，生产设备、生产工艺、检测设备和质量控制实施不到位等现象普遍存在。（4）性能评估不全面：现有标准仅对镍钛形状记忆合金接骨板的恢复率、恢复力和相变温度进行规定，未充分涵盖记忆合金接骨板的全面性能评估，缺乏对产品的镍离子析出、力学性能、生物力学性能和功能性能等方面的明确要求和测试方法，限制了对产品性能的准确评估。（5）安全性评估不充分：现有标准在镍钛形状记忆合金接骨板的安全性评估方面存在不足。由于镍钛合金骨板预期用于四肢骨等承重部位和胸肋骨等承受呼吸张力部位的治疗，需承受交变应力，且植入后会与人体体液接触，但标准未详细规定在模拟人体体液状况下应力腐蚀模拟植入后镍钛形状记忆合金接骨板的疲劳可靠性评估等内容，从而可能存在潜在的安全隐患。3.2 改进建议现阶段我国工业技术水平与国际水平存在差距，因此制定标准时需要结合国内工业水平，不断提高标准参数和技术指标，修订检测方法及标准要求，以推动镍钛合金骨科内植入器械的产品生产和检验技术水平。通过修订和完善标准，可更好地规范镍钛合金植入器械的生产过程和质量要求，促使企业不断改进工艺和技术，提高产品的设计、制造和检验水平。同时，标准的修订也可以推动相关检测方法的更新和改进，确保产品的质量和安全性能符合要求。此外，标准的不断完善也有助于推动行业的技术创新和发展。随着技术的不断进步，新的材料、工艺和设备不断涌现，需要及时提出相应的标准要求，引导行业朝着更高水平发展，有助于提高镍钛合金接骨板产品的竞争力，满足市场需求。因此，对现有标准提出 5 点建议。（1）行业标准协同制定。镍钛形状记忆合金心血管产品与内固定器械应协同进步，镍钛形状记忆合金微丝（0.0150.100 mm）及其产品（如神经血管微导管、一次性使用栓塞保护伞、血管导向密网支架、房间隔缺损封堵器、室间隔缺损封堵器、动脉导管未闭封堵器、食道覆膜支架和颅内取栓支架）技术先进、应用成熟，但行业内的产品标准尚未建立。因此，制定标准需要协同镍钛形状记忆合金心血管、内固定器械，综合兼顾产品特点和使用性能，制定出既有约束力又具有开放性的标准。（2）提高标准门槛，接轨并超越国际标准。镍钛形状记忆合金骨科内固定器器械的有关技术标准在制定过程中，需充实技术含量，加强支撑度，技术指标应齐全、精确，必须根据实际临床应用尽量避免片面照抄和等同采用的现象。标准制定时应做好规范的认证工作，意见征求过程应当涉及所有具有镍钛形状记忆合金接骨板产品注册证的企业，使镍钛形状记忆合金内固定器械标准更适应市场需求，为医疗器械安全性提供重要保障；并依据临床需求，梳理现有标准，对操作性差的条款进行充实，增加其可操作性；对过低指标进行提档升级，细化不明确条款；对涉及产品安全性和有效性的指标要设定明确的硬性规定；结合临床使用升级接轨国际标准的部门条款，以满足全球经济一体化需求，为我国医疗器械进入国际市场创造先期条件。（3）加强人才队伍26医疗装备 2024 年 2 月第 37 卷第 3 期 Medical Equipment,February.2024,Vol.37,No.3建设。镍钛形状记忆合金内固定器械的研发、生产和上市监管是一门专业性极强和标准化管理的行业。从业者必须了解各种专业知识，不但要了解记忆合金材料的原理、特性和机械加工性能，还要了解国家法规、标准、相关产品指导原则，更要熟悉骨科解剖科学、产品特点、生产技术及商品特点，所以人才队伍的建立与储备非常关键。企业需结合行业现状，通过多种形式对有关镍钛形状记忆合金接骨板制程的工艺、检测、技术和工艺管理进行专业培训，只有掌握这些技术素质才能为镍钛形状记忆合金内固定器械的研究、生产、管理发展打下坚实基础。（4）定期更新。标准的实施过程应定期进行审查和改进，以确保其有效性和适应性。现在国内医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材已达到国际标准水平，因此制定机构应与行业从业者、学术界和监管机构保持密切合作，收集反馈和建议，并根据需要进行修订和改进。（5）加强国际协作。国内标准管理和制定机构应积极与其他国家地区的标准制定机构进行合作和协调，举办有关镍钛形状记忆合金医疗器械或接骨板相关的国际会议、研究论坛和研讨会及建立在线平台或论坛，便于专家和企业工程师间的沟通和合作。通过促进国际标准的一致性和互认，降低跨国贸易和合作的壁垒，促进行业的全球性发展。4 总结新标准的制定需结合国内工业水平，不断提高标准参数和技术指标，修订检测方法，提出标准要求，对于推动镍钛合金骨科内植入器械的发展和提高产品质量具有重要意义，且有助于缩小我国工业技术水平与国际水平的差距，提高产品的竞争力和市场地位。国内镍钛合金骨板生产厂家、检测机构和临床使用单位应积极联合起来，共同制定满足医药行业发展的高水平镍钛合金内植入物器械标准。参考文献1 Abbas A,Hung HY,Lin PC,et al.Atomic layer deposited TiO2 films on an equiatomic NiTi shape memory Alloy for biomedical applicationsJ.J Alloys Comp,2021(886):161282.2 陈一哲，杨雨卓，彭文鹏，等.形状记忆合金的应用及其特性研究进展 J.功能材料，2022，53（5）：5026-5038.3 李文娇，马春宝，赵丙辉，等.镍钛形状记忆合金植入物在骨科的应用 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