鎳鈦形狀記憶合金內固定器械標準的發展現狀

聶永勝，張鐳（通信作者），閆鵬偉，宋麗霞，陳大雷，高海艷，王毅博，賀軍權，繆祥文，胡亞平

1 蘭州西脈記憶合金股份有限公司 （甘肅蘭州 730105）；2 甘肅醫療器械檢驗檢測所（甘肅蘭州 730000）；3 甘肅省慶陽市生態環境保護局 （甘肅慶陽 745000）

鎳鈦形狀記憶合金是一種可在低溫馬氏體下發生變形，加熱后恢復至高溫奧氏體的材料[1-2]。現階段，我國的鎳鈦形狀記憶合金產業發展迅速，已從應用研發階段進入工業化階段[3]。由于鎳鈦形狀記憶合金具有獨特的形狀記憶效應和優良的超彈性，在骨科內固定領域已有大量應用，如鎳鈦形狀記憶合金環抱器用于治療胸骨、指掌骨骨折[4-7]，傘狀支撐器用于治療股骨頭缺血性壞死[8]，記憶合金髕骨爪和克氏針用于治療髕骨粉碎性骨折[9]，髖臼三維記憶內固定系統用于治療髖臼后壁骨折伴髖臼關節后脫位[10]。研究表明，鎳鈦形狀記憶合金內固定器械治療效果明顯優于傳統治療方式。湯京龍等[11]總結了鎳鈦形狀記憶合金材料和植入物領域的國內外標準現狀，通過對比相關產品審批要求及已有標準，梳理出審批中有要求但目前尚無標準可依的性能，以促進開展醫用鎳鈦形狀記憶合金體外鎳離子釋放模型等方面標準化研究。目前，國家藥品監督管理局已發布了行業標準YY/T 1823-2022《心血管植入物 鎳鈦合金鎳離子釋放試驗方法》[12]。國家醫療器械監督檢驗中心等制定了醫用鎳鈦形狀記憶合金有關國家標準。蘭州西脈記憶合金有限公司等參與制定了鎳鈦合金板材有色金屬行業標準和鎳鈦記憶合金環抱式接骨器的團體標準。現有標準體系包括鎳鈦形狀記憶合金內固定器械有關的國家標準、行業標準和團體標準，內容涵蓋了鎳鈦形狀記憶合金內固定器械有關的化學成分、冶金結構、力學性能、相變溫度、恢復率和恢復力等要求和檢測方法。

1 鎳鈦形狀記憶合金植入物現行標準

目前，我國已頒布的有關鎳鈦形狀記憶合金植入物的標準如表1 所示[13-16]，標準涵蓋了鎳鈦形狀記憶合金內固定器械產品的原材料性能要求和檢測方法、用于加工制作內固定器械所用鎳鈦合金板材主要參數及檢測方法、相變溫度、恢復率和恢復力測試方法。

表1 我國已頒布的有關鎳鈦形狀記憶合金植入物的標準

2 標準介紹及分析

GB 24627-2009《醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》[13]由原國家食品藥品監督管理局制定，主要適用于制造醫療器械和外科植入物用的鎳鈦二元結構合金加工材料，是制造記憶合金專用醫療器械的唯一國家強制性標準。該標準等同采用了ASTMF 2063-05《醫療器械和外科植入物用鍛造鎳鈦形狀記憶合金標準規范》，目前該國際標準已修訂至ASTMF 2063-2018，修訂內容主要提高了氧含量及碳含量要求，材料碳元素質量分數由≤0.05%降低至≤0.04%，氮+氧元素質量分數≤0.05%降低為氧元素質量分數≤0.04%、氮元素質量分數≤0.005%。產品分析偏差中，氮元素質量分數允許差由0.004%降低為0.001%。鎳鈦合金驅動絲材被用于圖像引導手術機器人、微型手術機器人及微創手術四自由度抓手，因其通過電加熱形式驅動，所以標準新增了相變溫度（As）＞70 ℃時的相變公差。As 公差由產品加工溫度的±10 ℃內增加為：As ≥70℃時，公差±7 ℃；-50 ℃＜As＜70 ℃時，公差±10 ℃；≤50 ℃時，公差±15 ℃，且細化了顯微清潔度要求，調整了不同As 產品范圍。國內該標準已于2019 年提出修訂，目前已完成修訂，也將于近期發布實施。

GB 24627-2009《醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》[13]對材料化學、物理、機械和冶金結構作出了明確規定，并提供了測試方法。該標準對材料化學成分的要求可以確保材料成分符合要求，以保證其生物相容性、物化性能和可靠性。對材料機械性能（如抗拉強度、屈服強度、延伸率等）、熱處理性能、超彈性性能等物理性能要求可確保材料在使用過程中具有合適的力學性能和形狀記憶效應。對標準化學成分分析、機械性能測試、超彈性性能測試方法的要求旨在確保材料符合標準規定的質量要求。該標準的頒布實施可以確保醫療器械和外科植入物中使用的鎳鈦形狀記憶合金加工材料具有一定的質量和性能保證，有助于提高醫療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療效果。

YY/T 0641-2008《熱分析法測量 NiTi 合金相變溫度的標準方法》[14]由原國家食品藥品監督管理局頒布，是采用差式掃描量熱儀通過熱分析法測試相變溫度的醫用設備行業推薦性標準，等同ASTMF 2004《熱分析法測量鎳鈦合金相變溫度標準方法》。標準方法為：先將鎳鈦合金完全退火，并去除氧化和污染，然后將試驗材料放置于差式掃描量熱儀的測試區，并施加恒定升降溫速率，由于試驗材料相變過程中發生吸收或放出熱量出現吸、放熱峰值，通過檢測、記錄試驗材料和參照材料的能量改變熱流量差，從而測試出奧氏體相變開始和終了溫度、馬氏體相變開始和終了溫度。由于需要對被測樣品進行標準制樣，樣品由切割取得（20～50 mg），需經過800 ℃退火15 min，此過程會破壞原有產品架構，且在樣品清潔和去除氧化皮過程中需避免產品冷加工，因此該方法不適用于測量鎳鈦記憶合金環抱器產品相變溫度。該標準的目的是提供一種用于測量鎳鈦合金的相變溫度，以確保測試結果的準確性和可比性的標準化方法。按照YY/T 0641-2008《熱分析法測量NiTi 合金相變溫度的標準方法》的要求，可以對鎳鈦合金內固定器械的相變溫度進行準確測量和分析，有助于為鎳鈦形狀記憶合金內固定器械應用領域的設計、生產和質量管控提供依據。

YS/T 1076-2015《鈦鎳合金板材》[15]規定了制作眼鏡架、骨科器械、彈簧等用途的鈦鎳合金板材要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸、貯存和質量證明書及訂貨單（合同）等內容。標準規定了鎳鈦二元、鎳鈦釩、鎳鈦鉻三元合金的化學成分、力學性能、相變溫度、平均晶粒度和高低倍組織，并規定了板材的尺寸和外觀質量等參數。但由于該標準為有色金屬行業標準，化學成分要求低于GB 24627-2009《醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》，因此不能完全用該標準作為骨科內固定器械用鎳鈦合金板材的標準。該標準對材料化學成分范圍、雜質含量、晶粒大小等的要求可以確保合金材料的成分符合要求，以保證其性能和可靠性；對鈦鎳合金板材的外觀要求包括表面質量、平直度、厚度公差等外觀和尺寸，可以確保板材的外觀質量和尺寸精度符合規定的標準；對鈦鎳合金板材的抗拉強度、屈服強度、延伸率等機械性能的要求可以確保板材在使用過程中具有合適的強度和韌性；對鈦鎳合金板材化學成分分析、外觀檢查、機械性能測試等檢驗方法的要求可以確保板材符合標準規定的質量要求；對鈦鎳合金板材的包裝、標志和貯存要求可以確保板材在運輸和貯存過程中不受損害，并能保持其質量和性能。

由于現行標準并未規范骨科內植入物產品的相變溫度、恢復率和恢復力測試方法，因此，T/CSBM 0015-2021《鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀能力測試方法》規定了鎳鈦形狀記憶合金骨板的相變溫度、形狀恢復力及形狀恢復率。若接骨板不能滿足測試，則采用模擬試樣代替。相變溫度測試是將樣品在馬氏體狀態下塑形，加熱到奧氏體狀態，采用高精度位移傳感器記錄加熱過程中位移隨溫度變化數據并繪制曲線，最后通過切線法確定奧氏體轉變終了溫度（Af）；形狀恢復力是將試樣及產品置于0～5 ℃冰水混合物中完全冷卻后，再把試樣及產品變形后安裝于測量夾具中升溫還原至奧氏體狀態，記錄恢復力測試儀數據；形狀恢復率采用彎曲法測試，將試樣在馬氏體狀態下沿著標準芯棒變形，并放入恒溫水浴槽內加熱至奧氏體狀態，通過測量冷卻變形位置角度和加熱恢復位置角度，利用公式計算形狀恢復率。該標準的頒布實施可對鎳鈦形狀記憶合金骨板的形狀恢復能力進行準確的測試和評估，有助于了解骨板的形狀記憶特性和性能，為醫療器械和機械工程等領域的設計和應用提供依據。

現有鎳鈦形狀記憶合金內固定器械標準的實施有助于規范鎳鈦合金接骨板的材料和檢測水平，對于鎳鈦合金接骨板的安全應用具有重要指導意義。

3 標準的不足與發展建議

目前，有關鎳鈦合金骨板的標準已涵蓋了團體標準、醫藥行業標準及國家標準，標準體系完善、健全和清晰，且內容完全，包括鎳鈦合金骨板相關原材料、型材和產品的化學成分、冶金結構、相變溫度、力學性能、形狀恢復率和形狀恢復力等。但GB 24627-2009《醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》和YY/T 0641-2008《熱分析法測量 NiTi 合金相變溫度的標準方法》均為等同采用國際標準，而部分未列入的行業標準也是以國際標準為基礎，結合國內產業技術水平制定。T/CSBM 0015-2021《鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀能力測試方法》參照了國際標準制定，且是國內外首先提出鎳鈦合金骨科內植入物的標準。但該標準主要涉及的產品為應用記憶合金記憶特性的環抱式接骨器，而對于部分應用記憶合金超彈性的非環抱式接骨器未做出有關彈性、恢復力等要求。

3.1 標準的不足之處

（1）產品標準跟不上產品研發的步伐：隨著醫療技術的快速發展，多款記憶合金醫療器械上市并被臨床大量使用，包括介入人工生物心臟瓣膜、左心耳封堵器系統、分支型主動脈覆膜支架及輸送系統、腹主動脈覆膜支架系統和血管重建裝置及腦血栓取出裝置等介入器械[17]和自加壓螺釘、椎間融合器和釘角固定器等產品。部分鎳鈦形狀記憶合金產品應用了記憶合金超彈性能，而其結構為非環抱式結構，但其行業內的產品標準尚未建立。因此，需準確掌握鎳鈦形狀記憶合金產業的發展動向，并準確建立關于無標準產品（包括新研制的產品）的行業標準，以保證醫療器械的安全與有效性。（2）產品標準門檻過低：由于基礎產業發展和新材料產業技術的進步，新材料加工生產質量與性能均有較大改善，但由于部分生產標準的技術要求與測試手段條款較少，未能及時與產業的技術水平、新材料水平、測試手段與儀器精度等接洽一致，也未能及時與國際市場接軌，從而影響了產品走向國際市場。（3）對產品標準實施力度不夠：所有相關標準的實時貫徹執行，與相關管理人員、技術人員、操作人員和檢驗人員的意識、技術和執行能力密切相關。實施人員的技術能力水平與日益增長的行業技術不相適應，生產設備、生產工藝、檢測設備和質量控制實施不到位等現象普遍存在。（4）性能評估不全面：現有標準僅對鎳鈦形狀記憶合金接骨板的恢復率、恢復力和相變溫度進行規定，未充分涵蓋記憶合金接骨板的全面性能評估，缺乏對產品的鎳離子析出、力學性能、生物力學性能和功能性能等方面的明確要求和測試方法，限制了對產品性能的準確評估。（5）安全性評估不充分：現有標準在鎳鈦形狀記憶合金接骨板的安全性評估方面存在不足。由于鎳鈦合金骨板預期用于四肢骨等承重部位和胸肋骨等承受呼吸張力部位的治療，需承受交變應力，且植入后會與人體體液接觸，但標準未詳細規定在模擬人體體液狀況下應力腐蝕模擬植入后鎳鈦形狀記憶合金接骨板的疲勞可靠性評估等內容，從而可能存在潛在的安全隱患。

3.2 改進建議

現階段我國工業技術水平與國際水平存在差距，因此制定標準時需要結合國內工業水平，不斷提高標準參數和技術指標，修訂檢測方法及標準要求，以推動鎳鈦合金骨科內植入器械的產品生產和檢驗技術水平。通過修訂和完善標準，可更好地規范鎳鈦合金植入器械的生產過程和質量要求，促使企業不斷改進工藝和技術，提高產品的設計、制造和檢驗水平。同時，標準的修訂也可以推動相關檢測方法的更新和改進，確保產品的質量和安全性能符合要求。此外，標準的不斷完善也有助于推動行業的技術創新和發展。隨著技術的不斷進步，新的材料、工藝和設備不斷涌現，需要及時提出相應的標準要求，引導行業朝著更高水平發展，有助于提高鎳鈦合金接骨板產品的競爭力，滿足市場需求。

因此，對現有標準提出5 點建議。（1）行業標準協同制定。鎳鈦形狀記憶合金心血管產品與內固定器械應協同進步，鎳鈦形狀記憶合金微絲（0.015～0.100 mm）及其產品（如神經血管微導管、一次性使用栓塞保護傘、血管導向密網支架、房間隔缺損封堵器、室間隔缺損封堵器、動脈導管未閉封堵器、食道覆膜支架和顱內取栓支架）技術先進、應用成熟，但行業內的產品標準尚未建立。因此，制定標準需要協同鎳鈦形狀記憶合金心血管、內固定器械，綜合兼顧產品特點和使用性能，制定出既有約束力又具有開放性的標準。（2）提高標準門檻，接軌并超越國際標準。鎳鈦形狀記憶合金骨科內固定器器械的有關技術標準在制定過程中，需充實技術含量，加強支撐度，技術指標應齊全、精確，必須根據實際臨床應用盡量避免片面照抄和等同采用的現象。標準制定時應做好規范的認證工作，意見征求過程應當涉及所有具有鎳鈦形狀記憶合金接骨板產品注冊證的企業，使鎳鈦形狀記憶合金內固定器械標準更適應市場需求，為醫療器械安全性提供重要保障；并依據臨床需求，梳理現有標準，對操作性差的條款進行充實，增加其可操作性；對過低指標進行提檔升級，細化不明確條款；對涉及產品安全性和有效性的指標要設定明確的硬性規定；結合臨床使用升級接軌國際標準的部門條款，以滿足全球經濟一體化需求，為我國醫療器械進入國際市場創造先期條件。（3）加強人才隊伍建設。鎳鈦形狀記憶合金內固定器械的研發、生產和上市監管是一門專業性極強和標準化管理的行業。從業者必須了解各種專業知識，不但要了解記憶合金材料的原理、特性和機械加工性能，還要了解國家法規、標準、相關產品指導原則，更要熟悉骨科解剖科學、產品特點、生產技術及商品特點，所以人才隊伍的建立與儲備非常關鍵。企業需結合行業現狀，通過多種形式對有關鎳鈦形狀記憶合金接骨板制程的工藝、檢測、技術和工藝管理進行專業培訓，只有掌握這些技術素質才能為鎳鈦形狀記憶合金內固定器械的研究、生產、管理發展打下堅實基礎。（4）定期更新。標準的實施過程應定期進行審查和改進，以確保其有效性和適應性。現在國內醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材已達到國際標準水平，因此制定機構應與行業從業者、學術界和監管機構保持密切合作，收集反饋和建議，并根據需要進行修訂和改進。（5）加強國際協作。國內標準管理和制定機構應積極與其他國家地區的標準制定機構進行合作和協調，舉辦有關鎳鈦形狀記憶合金醫療器械或接骨板相關的國際會議、研究論壇和研討會及建立在線平臺或論壇，便于專家和企業工程師間的溝通和合作。通過促進國際標準的一致性和互認，降低跨國貿易和合作的壁壘，促進行業的全球性發展。

4 總結

新標準的制定需結合國內工業水平，不斷提高標準參數和技術指標，修訂檢測方法，提出標準要求，對于推動鎳鈦合金骨科內植入器械的發展和提高產品質量具有重要意義，且有助于縮小我國工業技術水平與國際水平的差距，提高產品的競爭力和市場地位。國內鎳鈦合金骨板生產廠家、檢測機構和臨床使用單位應積極聯合起來，共同制定滿足醫藥行業發展的高水平鎳鈦合金內植入物器械標準。