關(guān)鍵詞:金屬接骨螺釘;旋動(dòng)扭矩;YY/T 1506;ASTM F543;骨科植入物

隨著人口老齡化和創(chuàng)傷骨科發(fā)病率的上升,金屬接骨螺釘作為骨折內(nèi)固定的核心部件,其臨床應(yīng)用日益廣泛。螺釘植入骨骼的過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)交互過(guò)程,螺釘?shù)膸缀卧O(shè)計(jì)(如螺紋形態(tài)、螺距、核心直徑)與骨骼的力學(xué)特性共同決定了植入的難易程度和固定的可靠性。旋動(dòng)扭矩是衡量這一交互過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù):扭矩過(guò)大會(huì)增加手術(shù)難度,甚至導(dǎo)致螺釘斷裂或骨骼損傷;扭矩過(guò)小則可能造成把持力不足,影響固定效果。
為規(guī)范金屬接骨螺釘旋動(dòng)扭矩的測(cè)試方法,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和各主要國(guó)家均制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中,中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1506-2016《外科植入物 金屬接骨螺釘旋動(dòng)扭矩試驗(yàn)方法》和美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM F543《醫(yī)用金屬骨螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范和試驗(yàn)方法》是當(dāng)前影響力的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。于2017年6月1日正式實(shí)施,適用于在中國(guó)市場(chǎng)注冊(cè)的骨科植入物產(chǎn)品;后者在美國(guó)及國(guó)際市場(chǎng)廣泛應(yīng)用,涵蓋范圍更為廣泛,不僅包括扭矩測(cè)試,還涉及螺釘?shù)某叽?、材料、彎曲?qiáng)度和驅(qū)動(dòng)連接強(qiáng)度等多項(xiàng)性能要求。
本文旨在對(duì)這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和對(duì)比分析,為醫(yī)療器械制造商、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和臨床醫(yī)生提供技術(shù)參考。
旋動(dòng)扭矩試驗(yàn)的核心目的是測(cè)定金屬接骨螺釘在旋入和旋出標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料時(shí)所承受的扭矩。這一測(cè)試并不直接反映螺釘在真實(shí)人體骨骼中的旋動(dòng)行為,而是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試條件,確保產(chǎn)品批次間的一致性,并可用于比較不同設(shè)計(jì)或不同制造商的同類產(chǎn)品性能。
標(biāo)準(zhǔn)的旋動(dòng)扭矩試驗(yàn)通常包含兩個(gè)階段:
旋入階段:將螺釘以恒定的轉(zhuǎn)速旋入預(yù)先制備的測(cè)試塊中。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄旋轉(zhuǎn)角度與扭矩的關(guān)系,形成扭矩-角度曲線。曲線中的峰值扭矩即為旋入扭矩(Maximum Insertion Torque)。該指標(biāo)反映了螺釘植入所需的驅(qū)動(dòng)力,過(guò)大可能導(dǎo)致螺釘頭驅(qū)動(dòng)槽損壞或螺釘斷裂,過(guò)小則提示把持力可能不足。
旋出階段:在旋入完成后,立即或以短暫停頓后反向旋轉(zhuǎn)螺釘,將其從測(cè)試塊中旋出。同樣記錄扭矩-角度曲線,獲得旋出扭矩(Maximum Removal Torque)。這一指標(biāo)與螺釘?shù)妮S向把持力密切相關(guān),是評(píng)估固定穩(wěn)定性的重要參數(shù)。
旋動(dòng)扭矩的測(cè)試結(jié)果受多種因素影響,主要包括:
螺釘幾何參數(shù):螺紋外徑、核心直徑、螺距、螺紋形態(tài)等;
測(cè)試材料特性:模擬骨骼的力學(xué)性能,如密度、彈性模量;
導(dǎo)向孔尺寸:預(yù)制孔的直徑和深度直接影響旋入阻力;
測(cè)試轉(zhuǎn)速:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通常為1-5 rpm,轉(zhuǎn)速變化會(huì)影響扭矩值;
軸向預(yù)載:部分標(biāo)準(zhǔn)允許在測(cè)試過(guò)程中施加軸向載荷以維持驅(qū)動(dòng)工具與螺釘頭的接觸。
YY/T 1506-2016《外科植入物 金屬接骨螺釘旋動(dòng)扭矩試驗(yàn)方法》是中國(guó)醫(yī)藥行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn),由全國(guó)外科植入物和矯形器械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料及骨科植入物分技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 110/SC 1)歸口,天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等單位起草。該標(biāo)準(zhǔn)于2016年7月29日發(fā)布,2017年6月1日正式實(shí)施,目前處于現(xiàn)行有效狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定適用于金屬接骨螺釘?shù)男齽?dòng)扭矩測(cè)試,測(cè)量螺釘旋入標(biāo)準(zhǔn)材料時(shí)所需的扭矩。需要注意的是,標(biāo)準(zhǔn)特別指出,使用本標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果與螺釘在旋入人體骨骼時(shí)所需的旋動(dòng)扭矩沒(méi)有直接聯(lián)系,其用途于確認(rèn)被測(cè)產(chǎn)品的一致性。這一聲明體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試與臨床實(shí)際之間的區(qū)別,強(qiáng)調(diào)了質(zhì)量控制導(dǎo)向的定位。
YY/T 1506標(biāo)準(zhǔn)推薦使用聚氨酯泡沫作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料。聚氨酯泡沫具有以下優(yōu)點(diǎn):
材料性能均勻,批次間差異小;
可根據(jù)密度調(diào)節(jié)模擬不同質(zhì)量的骨骼(高密度模擬皮質(zhì)骨,低密度模擬松質(zhì)骨);
加工性能好,易于制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸的測(cè)試塊;
測(cè)試塊的密度應(yīng)根據(jù)螺釘?shù)念愋秃皖A(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景選擇,以確保測(cè)試條件的代表性。
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備提出了具體要求,主要包括:
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu):能夠提供恒定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi);
扭矩測(cè)量系統(tǒng):具備足夠的量程和精度,通常要求優(yōu)于±1%滿量程;
夾具系統(tǒng):上夾具應(yīng)能牢固夾持螺釘頭或驅(qū)動(dòng)器,確保旋轉(zhuǎn)軸與螺釘軸線重合;下夾具應(yīng)可靠固定測(cè)試塊,防止測(cè)試過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或位移;
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):能夠?qū)崟r(shí)記錄扭矩和角度數(shù)據(jù),采樣頻率應(yīng)足以準(zhǔn)確捕捉峰值扭矩。
根據(jù)YY/T 1506標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試流程通常包括:
試樣準(zhǔn)備:檢查待測(cè)螺釘?shù)耐庥^質(zhì)量,確認(rèn)型號(hào)、批號(hào)等信息;
測(cè)試塊制備:按照標(biāo)準(zhǔn)要求制備聚氨酯泡沫測(cè)試塊,加工導(dǎo)向孔;
安裝:將測(cè)試塊固定于下夾具,將螺釘安裝至上夾具并確保對(duì)中;
參數(shù)設(shè)置:設(shè)定旋入速度、旋入深度、旋出速度等;
測(cè)試執(zhí)行:?jiǎn)?dòng)設(shè)備,自動(dòng)完成旋入-暫停-旋出過(guò)程;
數(shù)據(jù)記錄:記錄扭矩-角度曲線,提取旋入扭矩和旋出扭矩;
結(jié)果分析:計(jì)算統(tǒng)計(jì)值,與產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行比對(duì)。
ASTM F543《醫(yī)用金屬骨螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范和試驗(yàn)方法》是美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布的一項(xiàng)綜合性標(biāo)準(zhǔn),其涵蓋范圍遠(yuǎn)不止旋動(dòng)扭矩測(cè)試。該標(biāo)準(zhǔn)包含多個(gè)附錄,分別規(guī)定了不同類型的力學(xué)性能測(cè)試方法:
附錄A1:金屬骨螺釘扭轉(zhuǎn)性能測(cè)定方法(對(duì)應(yīng)旋動(dòng)扭矩測(cè)試);
附錄A2:驅(qū)動(dòng)扭矩測(cè)試方法;
附錄A3:軸向抗拉強(qiáng)度測(cè)定方法;
附錄A4:自攻性能測(cè)定方法。
ASTM F543附錄A1規(guī)定的方法與YY/T 1506在測(cè)試原理上基本一致,即通過(guò)將螺釘旋入標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料并記錄扭矩-角度曲線,測(cè)定其扭轉(zhuǎn)性能。然而,ASTM F543更強(qiáng)調(diào)該測(cè)試作為質(zhì)量控制工具,用于維護(hù)產(chǎn)品均勻性或比較不同產(chǎn)品的力學(xué)性能。
與YY/T 1506不同的是,ASTM F543附錄A1的測(cè)試對(duì)象并不包含“旋出"階段,而是將螺釘旋入直至斷裂,從而測(cè)定扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度、扭矩和斷裂角度。這意味著ASTM F543的扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試更側(cè)重于材料強(qiáng)度而非旋入/旋出行為的全面評(píng)估。
ASTM F543標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用致密化聚乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料。這種材料經(jīng)過(guò)特殊工藝處理,具有高度均勻的力學(xué)性能,能夠確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性和可比性。測(cè)試塊的規(guī)格和制備方法在標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)規(guī)定。
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的夾持方式有明確規(guī)定:將螺釘固定在夾持裝置中,使螺釘頭以下暴露5個(gè)完整螺紋,或暴露螺紋部分長(zhǎng)度的20%(取較小者)。夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)能夠有效防止螺釘在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
測(cè)試轉(zhuǎn)速規(guī)定為1-5 rpm,以模擬手術(shù)操作的實(shí)際速度。若測(cè)試過(guò)程中需要施加軸向載荷以維持驅(qū)動(dòng)工具與螺釘頭的接觸,應(yīng)記錄該載荷值。
結(jié)果分析主要包括三個(gè)指標(biāo):
扭轉(zhuǎn)偏移屈服強(qiáng)度:在扭矩-角度曲線上,以2度偏移量確定屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩值;
扭矩:扭矩-角度曲線上的值,反映了螺釘在斷裂前能夠承受的極限扭矩;
斷裂角度:從加載開(kāi)始到扭矩曲線快速下降至失效點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度。
盡管兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試原理上高度相似,但在關(guān)鍵細(xì)節(jié)上存在顯著差異,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
| 對(duì)比維度 | YY/T 1506-2016 | ASTM F543 |
|---|---|---|
| 標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì) | 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(推薦性) | 規(guī)范與試驗(yàn)方法 |
| 測(cè)試材料 | 聚氨酯泡沫 | 致密化聚乙烯 |
| 測(cè)試階段 | 旋入 + 旋出 | 旋入至斷裂(A1) |
| 應(yīng)用地區(qū) | 中國(guó)市場(chǎng)(NMPA注冊(cè)強(qiáng)制) | 北美及國(guó)際市場(chǎng) |
| 等效關(guān)系 | 等效于ISO 6475 | - |
兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)最核心的區(qū)別在于模擬骨骼材料的選擇。聚氨酯泡沫(YY/T 1506)和致密化聚乙烯(ASTM F543)在力學(xué)性能上存在差異,這直接影響測(cè)試結(jié)果。因此,同一螺釘按照不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試得到的結(jié)果不具備直接可比性。
從臨床相關(guān)性角度,聚氨酯泡沫可通過(guò)調(diào)整密度更好地模擬不同質(zhì)量的骨骼,在靈活性上具有一定優(yōu)勢(shì);而致密化聚乙烯的高度均勻性則更有利于質(zhì)量控制場(chǎng)景下的結(jié)果可重復(fù)性。
醫(yī)療器械制造商在選擇適用標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)考慮以下因素:
監(jiān)管要求:不同國(guó)家和地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的接受程度不同,需提前確認(rèn);
技術(shù)定位:若產(chǎn)品同時(shí)面向多個(gè)市場(chǎng),可考慮同時(shí)進(jìn)行兩種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試,以滿足不同監(jiān)管要求。
執(zhí)行旋動(dòng)扭矩測(cè)試需要以下核心設(shè)備組件:
主機(jī)框架:提供穩(wěn)定的機(jī)械支撐,保證測(cè)試過(guò)程中對(duì)中精度;
伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):提供精確可控的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)覆蓋1-30 rpm(自攻性能測(cè)試需要更高轉(zhuǎn)速);
扭矩傳感器:核心測(cè)量單元,實(shí)時(shí)記錄扭矩值,量程和精度需滿足測(cè)試要求;
軸向力傳感器(可選):用于監(jiān)測(cè)和記錄軸向載荷;
專用夾具:包括夾持螺釘頭的上夾具和固定測(cè)試塊的下夾具;
數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、過(guò)程控制和數(shù)據(jù)分析。
為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)滿足以下要求:
扭矩精度:通常要求優(yōu)于±1%滿量程;
轉(zhuǎn)速控制精度:能夠精確控制1-5 rpm的旋入/旋出速度;
數(shù)據(jù)采樣率:足夠高以準(zhǔn)確捕捉扭矩峰值和曲線特征點(diǎn);
對(duì)中性:上夾具與下夾具的軸線對(duì)中是避免側(cè)向力影響結(jié)果的關(guān)鍵。
現(xiàn)代材料試驗(yàn)機(jī)通常配備專業(yè)的測(cè)試軟件,應(yīng)具備以下功能:
測(cè)試參數(shù)設(shè)置(轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、方向等);
實(shí)時(shí)顯示扭矩-角度曲線;
自動(dòng)識(shí)別扭矩、屈服扭矩等特征值;
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)告生成;
符合標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)評(píng)估功能。
金屬接骨螺釘旋動(dòng)扭矩試驗(yàn)是評(píng)價(jià)骨科植入物力學(xué)性能的重要手段,YY/T 1506和ASTM F543是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的兩項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試原理上高度一致,均通過(guò)記錄螺釘旋入標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試塊過(guò)程中的扭矩-角度曲線來(lái)評(píng)估其力學(xué)行為,但在測(cè)試材料(聚氨酯泡沫 vs. 致密化聚乙烯)、測(cè)試階段(旋入+旋出 vs. 旋入至斷裂)和結(jié)果指標(biāo)等方面存在本質(zhì)差異。
對(duì)于醫(yī)療器械制造商而言,標(biāo)準(zhǔn)的選擇主要取決于目標(biāo)市場(chǎng)的監(jiān)管要求。同時(shí)進(jìn)行兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試,雖增加了測(cè)試成本,但可為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)提供合規(guī)保障。未來(lái),隨著骨科植入物技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)的推進(jìn),兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有望在測(cè)試方法上實(shí)現(xiàn)更高程度的統(tǒng)一。
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