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生物医用3D打印医疗器械等效性模型构建要求及方法

（中国器审2024年08月01日）

生物医用材料又称为“生物材料”，是诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官,或增进其功能的一类高技术新材料。3D打印技术又称为“快速成型技术”或“增材制造技术”，是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，主要是以数字模型文件为基础，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，在高精度、个性化制造及复杂形状构建等方面具有独特优势。3D打印作为一种新型制造方式，极大拓宽了生物医用材料的应用范围，更好满足公众用械需求。

3D打印医疗器械由于其外形设计的不确定性，针对每个设计进行完整的台架试验是不现实的，也缺乏合理性，因而建立一种替代验证方法是当前和未来的需要。器审中心于2020年发布的《定制式个性化骨植入物等效性模型注册技术审查指导原则》给出了等效性模型的定义，并对等效模型建立的要求和方法进行了深入阐述。本文将结合等效性模型在生物医用3D打印骨科植入物中的应用来进一步说明等效模型的构建要求及方法，以供参考。

一、等效性模型构建基本要求

等效性模型是为评价生物医用3D打印医疗器械临床预期使用性能而构建，与临床预期使用情况的几何结构、形貌、材料属性、固定方式、力学环境和生物整合机理等相等效的数值和物理模型。等效性模型需具有替代同等体内生理条件下物理模型的合理性，可用于评价生物医用3D打印医疗器械的安全性和有效性。等效性模型的构建需以临床实际需求为基础，针对不同手术部位和不同临床使用预期，设置功能评价目标和性能参数。等效性模型构建过程中对相关要素的简化需不影响对生物医用3D打印医疗器械临床使用安全性和有效性的评价。

二、等效性模型构建方法

等效性模型的构建可采用物理试验、数值模拟分析、大数据分析、临床使用数据等，等效性模型构建的方法需规范，满足可重复性要求。为明确等效性模型的一致性和合理性，试验和数值模拟分析方法需结合使用，通过相关结果的对比验证构建方法的合理性。

以生物医用3D打印骨科植入物等效性模型构建为例，需从结构尺寸、材料属性、固定方式和力学环境等方面实现与植入物临床应用的等效，包括：1.几何结构特征、尺寸满足临床使用要求；2.材料属性赋值需包括模量、各向异性、梯度变化等；3.固定方式包括固定位置、方式需符合临床使用情形；4.力学环境包括所设定的力学、运动学加载条件需符合临床使用情形。

（一）几何模型的构建

几何模型是等效性模型的基础，几何模型的构建需包含植入物、固定系统及产生影响的全部组织结构和力学环境等要素。构建的几何模型尽可能的完整、准确、有代表性，与临床应用条件相一致，以保证构建模型的等效性。

例如生物医用3D打印骨盆假体等效性模型需包含3D打印骨盆假体与人体天然骨盆，使两者形成完整的骨盆重建结构。人体天然骨盆数据通常来源于患者的CT扫描数据。构建骨盆假体等效性模型时需考虑骨盆的完整程度，是否包含股骨近端，如针对大段Ⅱ区骨盆修复的个性化植入物构建等效模型时，需考虑在等效模型中加入股骨与人工髋关节的重建模型。对于同时切除骨盆Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的情形，其重建骨盆假体除骨盆假体部分，人工髋关节假体部分以外，为提高假体固定稳定性，并且优化重建骨盆的力线传导方式，还可设计椎弓根钉棒系统，通过连接人工髂翼假体与腰椎和骶锥，来辅助固定髂翼假体[1]。图1给出了健康骨盆模型（图1a）、Ⅱ区缺损重建骨盆模型（图1b）、Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区缺损重建骨盆模型（图1c）[1,2]。同时，需考虑骨盆中如骶髂关节、耻骨联合关节以及主要肌肉韧带等软组织的建立，以保证真实骨盆的力学传递特点。

再如生物医用3D打印人工椎体等效性模型需包含3D打印人工椎体及其固定系统、与人工椎体相接触的上下相邻宿主椎段、与固定系统绑定的椎段和与该系统发生关联的肌肉或韧带组织。如对于将L2节段前柱切除的脊柱肿瘤患者，使用3D打印人工椎体进行重建，采用侧方固定方式，使用2根螺钉将L1与L3节段相连，重建脊柱系统三维模型如图2所示[3]。

针对数值模型构建中常面临的几何特征简化，非功能设计的结构小特征可以考虑简化，如便于加工的小倒圆或小倒边特征；与功能评价不相关的模型细节可以考虑简化，如一些情况下的螺钉螺纹。针对数值模型和物理模型构建中面临的组件简化，在不影响骨植入物功能评价的前提下可以考虑简化模型，降低等效性模型的复杂性。如骨植入物具有多孔结构，对于多孔结构的孔径梯度变化或随机排布的情况，在构建植入物等效性模型时不宜对其结构简化处理；对于多孔结构在植入物占比非常小，仅在植入物表面，如骨整合界面的多孔结构设计，不影响植入物整体的力学性能，在构建植入物等效性模型时可考虑简化为实体