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预防骨科器械的微动腐蚀
由参与专家
Maciej Jakucki.
虽然骨科设备的植入通常可以缓解现有的医疗状况，但由于腐蚀和由此产生的腐蚀产物导致的二次故障可以逆转积极的结果。
生物相容性测试有助于确保材料，包括不锈钢，PEEK（聚醚醚酮），聚乙烯，钛和钴铬，是植入安全的。然而，由于这些材料随着时间的推移开始与人类生理环境相互作用，因此相互作用可以导致植入物的促进失败或脱源，通过免疫系统抑制植入物，或者通过体内升高的金属离子水平中毒。
“微动腐蚀”是多元件设备中特别关注的问题。当两个部件相互接触时，循环加载会引起配合面之间的微运动。这种振荡运动会引起局部变形、材料去除和被称为微动的传递。环境特性，包括较高的温度、非中性pH值的电解流体介质以及材料化学性质的差异，都可能增加化学侵蚀或腐蚀其中一个或两个表面的机会。微动与腐蚀相互作用，形成微动腐蚀。
模块化接口是许多总关节置换的中央设计特征，通常是螺纹或锥形的。几何公差，表面饰面，锁定扭矩和装配力对这些连接的性能产生了重大影响。另外，许多这些配合表面是不同的材料，其可以产生可以迁移到周围组织中的腐蚀，磨损和碎屑生成的不利条件。
产品疲劳测试可以在实验室环境下评估植入物的整体力学性能，但通常需要额外的测试和分析来评估可能导致体内断裂的腐蚀条件。这种补充评价不限于骨科;电化学腐蚀测试经常在其他设备上进行，例如血管内行业的支架。相应的FDA指南文件概述了当支架重叠时，或当需要考虑弯曲时进行检测的要求。这篇文章将集中讨论微动腐蚀分析，这通常是在肩关节、膝关节和髋关节置换术装置上进行的。
腐蚀的迹象是什么?
- 变形表面-出现扁平、呈蘑菇状或其他变形的加工痕迹。在放大倍数下，即使光滑的表面也有波峰和波谷。尽管两表面之间的名义应力可能很小，但高点之间存在粗糙的接触，会暂时产生高应力，导致峰的变形。
- 材料转移-从一个表面去除材料会产生附着在另一个表面的碎片。它可以是机械的，在两个表面之间产生的微运动，由材料(如果不同)，也可以是由于化学还原和氧化过程，腐蚀转移材料从一个表面到另一个。它也可以是这些过程的组合。
- 变色-由于微动腐蚀，表面颜色会发生变化。腐蚀产物通常为黑色或绿色。颜色的变化取决于材料和流体环境。
- 碎片一代根据产生的碎片的大小和数量，可以观察到流体环境的颜色变化和可见碎片的存在。透明溶液中仍可能含有大量以金属离子形式释放的物质，这些物质可通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)或其他检测方法进行定量。
监管考虑因素
当向FDA等监管机构提交测试结果时，通常需要进行微动腐蚀分析，以评估潜在的故障和离子生成。本文概述了可以执行的方法和分析，以确保一个彻底的调查测试程序，解决磨损和腐蚀问题，并提供客观证据，以证明安全性能。
有几个测试标准被创建来帮助评估微动腐蚀和碎片产生。
- ASTM F1814 - 评估模块化臀部和膝关节组件的标准指南
- ASTM F1875 -模块化植入物接口微动腐蚀测试的标准规程:髋股骨头-孔和锥体锥度接口
- ASTM F897 -测量接骨板和螺钉微动腐蚀的标准试验方法
FDA指导文件还提供了用于测试装置疲劳性能的模块化连接，微动和腐蚀测试的建议。
你到底应该找什么?有不同的方法来评估模块化连接，有些定量的，有些定性的。重要的是，无论分析如何，都要提供足够的照片证据来支持观察结果(或缺乏证据)。监管机构和制造商利用这一证据来评估该设备是否经过了足够的测试，总体风险是什么，以及该设备与市场上已经批准的设备相比如何。
测试方法
根据制造商的手术技术清洁和组装测试标本。然后在盐水溶液或牛犊血清溶液中进行机械疲劳试验以模拟体外条件。将溶液包封在感兴趣的关节周围的聚合物套管中。这是优选的，因为它限制了来自外部因素（固定装置，水泥等）的任何污染，但在所有配置中可能都不可行。测试组件可以完全暴露于溶液中，但应注意确保没有外部污染物可以进入测试室，并且夹具应设计为限制可以与试样相互作用的材料数量。严格控制测试参数以消除任何变量至关重要。
将0.9% PBS盐水溶液加热至37℃，然后施加机械疲劳载荷，通常为悬臂弯曲状态。完成后，收集液体，冲洗腔室以确保捕获任何颗粒，并拆卸标本。应注意确保表面不受工具或测试后处理的影响。可以对拆卸力进行评估，以帮助确定所施加的扭矩或力是否足够，以及确定是否存在锁定问题。例如，螺纹连接可能完全松动，这取决于磨损和加载方向。
类型的分析:
视觉和光学检查
目视或光学检测是评价微动腐蚀试验中最常用的方法。植入物在测试前用照片和一般观察记录下来。观察螺纹或锥度的初始状态可以进行完整的分析。一旦标本被拆解，应进行目视和光学检查。有几种方法来评估结果。
JR Goldberg等人在他的论文中提出了一种缩放方法模块化髋关节假体锥度界面的多中心检索研究此方法已被用作自2002年以来的许多评估方法的基础。HS Hothi等人撰写的另一份文件。标题为腐蚀和微动评分系统的可靠性及其与回收髋假体锥形模块连接材料损失的关系也用这个秤。爱游戏全站客户端元素使用了Kevin Fricka等人开发的量表“金属对金属局部组织反应与头部锥度连接处的腐蚀有关，“评估烦恼腐蚀的水平。
对模块化连接的界面微动腐蚀进行了定性评估。微动腐蚀、材料转移和变色用1到5的等级进行评价。
- 1 -没有肉眼观察到腐蚀。
- 2 - 少于30％的接合锥形表面变色或沉闷。
- 3 -大于30%的啮合锥面褪色无光，或小于10%的啮合锥面有黑色或暗灰色碎片、点蚀或腐蚀痕迹。
- 4 - 大于10％但少于50％的有关锥形表面具有黑色或沉闷的灰色碎片，蚀刻或蚀刻标记。
- 5 -大于50%的啮合锥面有黑色或暗灰色碎片、麻点或腐蚀痕迹。
评估在表面的每个象限进行，包括近端和远端，并单独评分。每个连接还会得到一个综合评分，以进一步评估植入物。理想情况下，没有或观察到最小的微动腐蚀;然而，由于加载量的不同，分数在不同象限上的变化是常见的。以下是一个样本矩阵:
观察到的微动腐蚀、材料转移和变色的数量进行了评估，以提供尽可能多的证据。下面列举了一些肩关节和髋关节植入手术的例子。高级分析也可以通过使用扫描电子显微镜(SEM)，圆度测量机，或白光干涉测量进行。
质量损失
评估磨损量的另一种测试方法是对每个部件进行质量损失分析。爱游戏全站客户端元素使用0.00001g分辨率的刻度来评估样品质量在测试过程中是否发生变化。清洗和干燥过程是关键，以确保适当的比较，和控制样本(不受机械疲劳)有时被用来模拟环境。如果几何形状复杂，盐沉淀和腐蚀性产品也会在表面形成，需要清理干净，以进行精确测量。应始终佩戴手套，以防止您的手的油脂污染标本。质量损失分析有助于验证和量化视觉结果。理想情况下，没有微动腐蚀将光学观察和将支持质量损失分析数据。
离子分析
收集的液体可以用ICP-MS或其他方法分析离子和磨损碎片。为了观察测试的重复性，经常对重复进行分析。
低于检测限的值表示不支持阳性测试结果和减轻离子或自由基风险的NO或最小离子。需要基于材料夫妇识别感兴趣的离子。结果可以与谓词数据，以前测试的类似产品或植入检索进行比较。
结论
腐蚀是医疗设备的重要关注。身体是腐蚀性环境，了解生理环境对材料的影响以及微观运动特性将有助于评估植入物的安全性。本文未涵盖多种类型的电化学和腐蚀相互作用。然而，该方法概述了帮助在您的设备设计中减轻微动腐蚀风险。
遵守这些方法将有助于支持成功的监管提交和彻底了解植入物的微量腐蚀性能。在一个理想的情景中，数据将显示没有或最小的微量腐蚀，材料转移或磨损碎片，并通过质量损失和离子分析验证。在产生不利结果的情况下，与文献，检索或谓词并排测试的比较可以用于理解和预测整体植入性能。
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