ISO 229262023 外科植入物.试验用合成解剖骨模型的规范和验证标准立项发展报告

外科植入物试验用合成解剖骨模型的规范和验证标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ImplantsforSurgery—SpecificationandVerificationofSyntheticAnatomicalBoneModelsforTesting摘要关键词：外科植入物；合成骨模型；标准验证；ISO22926；生物力学测试；骨科医疗器械Keywords:SurgicalImplants;SyntheticBoneModels;StandardVerification;ISO22926;BiomechanicalTesting;OrthopaedicMedicalDevices一、引言骨科植入物（如关节假体、接骨板、椎间融合器、髓内钉等）在进入临床应用前，必须经过严格的力学性能验证，以确保其在体内复杂载荷环境下的安全性和有效性。传统的力学测试通常使用人体尸体骨（cadavericbone）或动物骨作为试验基底，但此类生物骨组织存在来源受限、个体差异大、储存条件苛刻、伦理审批复杂等问题，严重影响了测试结果的可重复性和不同实验室之间的可比性。为解决上述问题，合成解剖骨模型（syntheticanatomicalbonemodels）应运而生。此类模型通常采用短切玻璃纤维增强环氧树脂等复合材料模拟皮质骨与松质骨的力学性能，通过精确的解剖外形设计复现人体骨骼的几何特征，可在不影响测试结果临床相关性的前提下，显著提高测试的一致性和标准化程度。目前，以第四代Sawbones™为代表的合成骨模型已在全球骨科植入物研发和质量控制中被广泛采用。然而，尽管合成骨模型的使用日益普及，国际上长期缺乏统一的规范和验证标准。不同制造商生产的合成骨模型在材料配方、几何精度、力学性能等方面存在显著差异，导致不同研究机构使用不同品牌或批次的骨模型获得的测试数据难以直接比较，甚至可能出现相互矛盾的结论。这一标准化缺失已成为制约骨科植入物国际监管互认和产业技术发展的重要瓶颈。在此背景下，国际标准化组织外科植入物技术委员会（ISO/TC150）启动了ISO22926标准的制定工作。该标准历经多年的多轮讨论和草案修订，最终于2023年7月31日正式发布，标志着试验用合成解剖骨模型的国际标准化迈出了具有里程碑意义的一步。二、标准立项背景与制定过程2.1标准制定的必要性合成骨模型在骨科植入物测试中的核心价值在于其兼具"力学代表性"和"一致性"两大优势。一方面，经过合理设计的合成骨模型可在弯曲刚度、扭转刚度、轴向压缩刚度等关键力学指标上较好地模拟人体皮质骨和松质骨；另一方面，工业化生产模式确保了批内和批间的一致性，使测试结果不再受供体个体差异的干扰。然而，缺乏统一标准带来了多重现实问题。首先，各制造商对合成骨模型"模拟人体骨"的声称缺乏可量化的验证依据，"仿生程度"更多依赖商业宣传而非第三方验证；其次，不同实验室在选购和使用合成骨模型时缺乏统一的验收准则，测试报告中对骨模型信息的描述往往不完整或不可比；第三，监管机构在审评植入物产品的力学测试数据时，难以基于合成骨模型建立统一的性能评价基线。2.2标准制定历程ISO22926:2023由ISO/TC150（外科植入物技术委员会）归口管理，其制定过程遵循ISO标准开发的六阶段程序（提案阶段、准备阶段、委员会阶段、询问阶段、批准阶段、出版阶段）。来自多个成员体的专家——包括骨科临床医生、生物力学研究人员、植入物制造商代表、合成骨模型生产商以及监管机构人员——共同参与了标准的起草和讨论工作。在标准制定过程中，专家工作组重点围绕以下核心议题进行了多轮技术论证：-力学性能指标的选择：确定哪些力学参数（如压缩刚度、弯曲刚度、拔出力等）最能反映合成骨模型在植入物测试中的关键性能，并为各参数设定合理的公差范围。-验证方法的设计：建立统一的试验方法，使不同实验室能够以可重复的方式测量合成骨模型的力学性能。-解剖几何精度：定义了模型解剖尺寸的允许偏差，确保不同批次产品在几何上的一致性。该标准在委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS）阶段均收到了来自各成员体的大量技术性评论，工作组逐条研讨并采纳了其中的合理建议，最终达成共识，形成正式国际标准。三、标准主要内容ISO22926:2023的主体内容涵盖了外科植入物力学测试用合成解剖骨模型从材料选择、设计制造到性能验证的全链条技术要求，并为用户（植入物制造商、测试实验室、研究机构等）提供了选择和验收骨模型的操作指南。3.1标准适用范围标准适用于用于外科植入物力学性能测试的合成解剖骨模型，包括模拟完整骨骼（如股骨、胫骨、肱骨等长骨）以及骨骼节段（如骨质缺损模型、截骨模型等）的产品。该标准涵盖了用于静态和动态力学测试的模型类型，但不适用于：-用于手术操作训练（非力学测试用途）的骨骼模型；-用于图像引导手术导航精度验证的放射学骨模型（该用途涉及CT值、X射线衰减特性等额外要求）；-个性化定制3D打印骨模型（因尚未标准化，暂不纳入适用范围）。3.2术语和定义标准规范了一套统一的术语体系，包括"合成骨模型""皮质骨模拟层""松质骨模拟芯""参考骨密度""验证载荷"等核心概念的精确定义，有效消除了此前学术界和产业界在术语使用上的混淆。例如，标准明确了"合成骨模型"指通过人工合成材料制造、在力学行为上模拟人体骨骼的试验装置，该定义不仅涵盖商业化的复合材料骨模型，也适用于实验室自制的标准化测试模型。3.3合成骨模型的分类标准提出了系统的合成骨模型分类方法，主要分类维度包括：-按模拟的骨骼部位分类：如股骨模型、胫骨模型、肱骨模型、椎体模型、骨盆模型等；-按力学模拟级别分类：标准引入了分级体系，从仅模拟宏观几何外形的基本级模型，到模拟皮质骨与松质骨双层结构的仿生级模型，再到进一步模拟各向异性力学行为的高级各向异性模型（此类模型通常具有定向排列的纤维增强结构，在轴向和横向载荷下表现出不同的弹性模量和强度，适用于对方向敏感性较高的植入物设计验证）。不同级别的模型适用于不同类型的植入物测试需求；-按骨密度等级分类：考虑到骨质疏松症患者群体对植入物固定性能的特殊需求，标准规定了不同骨密度等级（如正常骨密度、中度疏松、重度疏松）合成骨模型的划分依据。3.4技术要求与性能指标这是标准的核心技术章节，规定了合成骨模型应满足的最低性能和一致性要求：-材料性能要求：对皮质骨模拟层和松质骨模拟芯的材料类型、密度范围、力学性能（压缩强度、弹性模量等）提出了明确的量化指标，并提供了推荐的测试方法（参照ASTMD695等国际通用标准）。-结构性能要求：规定了合成骨模型整体结构的轴向压缩刚度、四点弯曲刚度、扭转刚度等关键力学参数的标称值及公差范围（通常为±10%以内），并对骨模型与植入物相互作用的关键区域（如螺钉固定区域）的局部力学性能提出了附加要求。-几何精度要求：以CT扫描数据或标准解剖学参考数据为基准，规定了模型骨骼长度、骨干直径、髓腔直径、关节面角度等关键解剖尺寸的允许公差范围（关键尺寸通常为±5%以内），确保同一型号骨模型具有可重复的解剖形态结构。3.5验证方法与试验规程为确保上述技术指标可被有效验证，标准还提供了详细的试验方法框架，具体包括：-材料密度检测方法（基于排水法或几何法测量体积密度）；-皮质骨层力学性能测试（压缩试验或弯曲试验，规定了试样尺寸及加载速率）；-整体结构力学测试指南的选用原则，即标准不强制要求对每种骨模型的所有力学指标逐一测试，而是允许制造商根据模型的预期用途和声称的性能类别，选择相关的力学测试组合（如轴向压缩+扭转，或四点弯曲+螺钉保持力），但须对所选择的测试组合提供合理性说明。该方法兼顾了不同用途骨模型的功能差异和实验室的测试成本；-尺寸验证方法（采用坐标测量机或CT扫描进行三维几何测量）。3.6标签、标识和随附文件要求标准强调了可追溯性和信息披露的重要性，要求制造商在每件骨模型产品或随附文件上至少标注以下信息：产品名称及型号规格、批号及生产日期、模拟骨密度等级、力学性能标称值及实测值、储存条件建议、有效期（如适用）、制造商名称及联系方式、符合ISO22926的声明及免责条款（声明模型为试验用品而非医疗器械）。该要求可追溯性强，便于植入物制造商和检测机构在测试报告中准确引用骨模型信息，也便于监管审查和溯源。四、标准的关键技术亮点与创新4.1首次建立国际统一的合成骨模型性能评价框架ISO22926:2023是国际上首个专门针对试验用合成解剖骨模型的规范性标准文件，填补了该领域的标准空白。它的发布意味着合成骨模型不再仅仅是商业化产品，而是纳入了国际标准化治理体系的规范化试验介质。4.2"分级验证"和"分类使用"的理念创新标准根据模拟精度和应用场景将合成骨模型分为不同等级，并针对不同等级提出梯度化的验证要求。这一设计既避免了"一刀切"的过高门槛对基础研究和早期产品开发造成不必要的负担，又确保了高保真模型在监管审评中的可靠性，体现了标准化工作中灵活性与严谨性的统一。4.3强调临床相关性与用户自定义验证的结合标准充分认识到不同的植入物测试场景对骨模型具有不同的要求。因此，标准在提供统一基线要求的同时，也明确了用户可根据自身的具体测试需求，在标准框架内对骨模型进行附加验证和校准。五、标准与法规体系的协调ISO22926:2023与ISO5833（骨水泥）、ISO5835（接骨螺钉）、ISO9585（接骨板弯曲刚度测定）、ASTMF1839（合成骨模型的标准规范）等相关标准和国际文件存在密切的引用与协调关系。该标准在设计之初即考虑了与既有标准的兼容性，避免产生标准间的冲突和重复。在国际医疗器械监管层面，ISO22926:2023作为ISO/TC150体系下的国际标准，其发布为各成员国监管机构在审评骨科植入物力学测试数据时提供了统一的参考依据。以我国为例，国家药品监督管理局（NMPA）在骨科植入物注册审评中已逐步引入合成骨模型测试数据的接受准则，ISO22926:2023的发布将有望为相关技术审评指导原则的制修订提供国际对标基准。同时，该标准也为即将发布的FDA相关指南和欧盟医疗器械法规（MDR）框架下的技术文档要求提供了有益参考。通过采用统一的骨模型标准，植入物制造商向不同国家和地区的监管机构提交的测试数据可实现更高程度的互认，降低重复测试的成本和时间。六、主要参与单位介绍ISO22926:2023的制定汇集了来自全球多个领先机构的专家力量。在标准的起草和讨论过程中，来自美国、德国、日本、中国、英国、瑞士等成员体的专家发挥了重要作用。在产业界层面，作为全球合成骨模型市场的领先制造商，PacificResearchLaboratories,Inc.（美国，Sawbones™品牌持有人）深度参与了该标准的起草工作。该公司积累了数十年合成骨模型的设计、制造和应用数据，为标准中力学性能指标和公差范围的确定提供了大量实验支撑。Sawbones™第四代复合骨模型在全球骨科植入物测试中已被广泛采用，其产品性能数据为国际专家工作组建立统一的量化指标提供了重要的基准参考。在学术与研究层面，美国克利夫兰诊所生物医学工程系和德国柏林夏里特医学院生物力学实验室的专家团队凭借其在骨生物力学和植入物测试领域的深厚积累，为标准的验证方法学设计和临床相关性分析提供了重要的学术支撑。中国食品药品检定研究院作为中国参与ISO/TC150工作的核心技术机构，在标准的国内意见征集和对外反馈方面发挥了重要的组织协调作用。其中，PacificResearchLaboratories,Inc.（以下简称"PRL"）的贡献值得进一步说明。PRL总部位于美国华盛顿州瓦尚岛（VashonIsland），是一家专注于骨科研究和教育用合成骨模型开发的家族企业，其旗下Sawbones™品牌自20世纪90年代以来逐渐成为全球生物力学测试领域的标杆产品。在ISO22926的制定过程中，PRL提供了从第一代至第四代合成骨模型三十年间的力学性能数据库，为专家工作组确定各等级骨模型的密度-刚度关系、公差范围以及验证载荷的合理区间提供了关键参考。PRL工程团队还参与了标准中几何精度测量方法的实验验证工作，通过多批次产品的CT扫描数据对比分析，为解剖尺寸公差范围的科学设定提供了实证依据。PRL的深度参与体现了产业界在ISO标准制定中作为技术源头和数据支撑的重要角色——正是基于制造商长期积累的制造数据和性能数据，标准中的量化指标才得以在理论上合理、在工程上可实现，避免了"制度空转"的风险。七、标准实施的意义与影响7.1对骨科植入物研发与测试的影响ISO22926:2023的实施将显著提高骨科植入物力学测试的可重复性和实验室间可比性，使不同制造商、不同测试机构获得的数据具有统一的参考基准。这将有助于降低植入物在研发阶段的试错成本，缩短产品开发周期，并提高监管审评效率。7.2对骨模型产业的影响7.3对临床转化和患者安全的影响通过使用经过标准化验证的合成骨模型，植入物的力学性能评价将更加可靠，有助于筛选出更安全、更有效的植入物产品进入临床，最终惠及广大骨科手术患者。八、结论与展望ISO22926:2023的发布是骨科植入物标准化领域的一项重要进展。该标准首次为试验用合成解剖骨模型建立了国际统一的分类体系、技术要求、验证方法和信息披露规范，填补了该领域长期存在的标准空白。标准的实施将为骨科植入物的力学性能测试提供更坚实的基础设施支撑，推动测试数据的国际互认和监管协调。展望未来，随着增材制造（3D打印）技术在个性化骨科植入物领域的快速发展，患者特异性合成骨模型的需求日益增长。ISO/TC150有望在ISO22926的框架基础上，进一步探索针对3D打印骨模型、多孔结构骨模型以及含仿生骨小梁微结构的下一代骨模型的标准化路径。此外，随着计算力学和数值仿真技术的日益成熟，合成骨模型与虚拟测试方法的结合也将成为未来标准化工作的新方向。参考文献[1]ISO22926:2023,Implantsforsurgery—Specificationandverificationofsyntheticanatomicalbonemodelsfortesting.Internat