| GL：本体 |
３．前臨床試験項目
人工股関節は、主として寛骨臼部品(超高分子量ポリエチレン及び金属ライナー等、金属カップ或いはメタルシェル、ねじ等)及び大腿骨部品(骨頭及びステム等)で構成される。
開発コンセプトに応じて、JIS、ISO及びASTM規格等の中から最適な試験方法を適宜選択して試験を実施することとし、類似規格が存在する場合には、その中から最適なものを選択し同様に用いることとする。
3.1 素材自身の評価
新規部材を含む各部材に関して、以下を参考に素材評価を実施することとする。
(1) 原材料の記載に関しては、平成16年11月15日付け医療機器審査No.19 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室事務連絡別添の「医療用具の製造(輸入)承認申請書における原材料記載について」を参考にすることが望ましい。
(2) 生物学的安全性試験に関しては、JIS T 0993-1(ISO 10993-1)に準じることが望ましい。金属材料の表面仕上げに関しては、JIS T 0301が参考となる。
(3) 素材の工学的評価試験に関しては、表1 に示す素材規格及び表2 に示す評価項目を参考に、必要となる試験を適宜選択して行う。人工股関節を構成する各部材に対して、表1に示す素材規格値以上であることが望ましい。
(4) UHMW-PE等の新規ポリマー素材では、密度、組織写真、不純物の量、酸化指数、溶出物試験、機械的性質(降伏強度、引張強さ、伸び)を評価することが望ましい。
(5) セラミックス新素材では、かさ密度、化学組成、組織(結晶構造、析出物等)、硬度、曲げ強度に加え、破壊靭性(或いは衝撃値)を評価することが望ましい。破壊靭性の評価方法としては、JIS R 1607、ISO 15732、ISO 18756及びISO 24370が参考となる。
(6) 金属材料新素材では、化学組成、金属組織、機械的性質(0.2%耐力、引張強さ、破断伸び、絞り)、耐食性(例えば、溶出量等)及び必要に応じて、弾性率、硬さを測定することが望ましい。金属材料の耐食性評価用の腐食溶液及び加速試験溶液の選定には、ISO 16428が参考となる。
人工股関節ステム用素材等で疲労特性の優れた金属材料を用いる場合には、金属組織、機械的性質及び疲労特性の関係を把握することが重要となる。素材の疲労試験においては、例えば、応力(最小/最大)比=0.1で、周波数を10 Hzまで加速でき、107回以上での疲労強度を目安に比較することが望ましい。Ti合金素材では、等軸のα(hcp) 相と粒間β(bcc)相或いは針状のα相とβ相から成る2相構造を有する合金が多く、丸棒を用いた107回の疲労強度としては、400 MPa以上が目安となる。
(7) 骨頭用素材としては、表1に示すCo-Cr-Mo合金材、ジルコニウム合金或いはセラミックス材料以上の特性が望ましい。
(8) 金属カップには、人工大腿骨頭用のバイポーラカップ及び全置換型人工股関節用のメタルシェルがある。バイポーラカップ用素材では、表1に示すCo-Cr-Mo合金鋳造材以上の特性が、メタルシェルでは、例えば、表1に示すTi合金等の特性以上が望まれる。
(9) 人工股関節ステムには、セメントタイプ及びセメントレスタイプがあり、いずれも表1 に示すTi合金等の特性以上を有することが望ましい。
3.2 構造及び形状・寸法等のデザイン情報
各構成部品のデザイン情報に関して、以下を参考に記載することが望ましい。
(1) ポリエチレンカップに関しては、骨セメントを使用して固定するタイプと、外側に金属製のカップを用いるタイプとがある。カップの形状、寸法、真円度、表面粗度、ポリエチレンの最小厚み、固定方法及び骨頭がスムーズに動くクリアランス等が重要となる。
最小厚みに関してはISO 21535が、真円度の測定方法及び表面仕上げ等に関しては、ISO 7206-2が参考となる。セメントレスの場合には、固定方法が重要となる。
金属－金属、金属－セラミックス及びセラミックス－セラミックスでは、真球度、骨頭とのクリアランス(半径差)が重要となる。
(2) 金属カップには、人工大腿骨頭用のバイポーラカップ及び全置換型人工股関節用のメタルシェルがあり、形状及び構造、厚み、ポリエチレンライナーとのクリアランス、ポリエチレンライナーの固定方法等が重要となる。
メタルシェルで表面改質層を有する場合には、表面改質層の構造(改質材の化学成分、形状及びサイズ、表面近傍の組織写真、堆積層の厚さ等)が重要となる。
(3) 骨頭に関しては、骨頭形状、骨頭径、真円度、骨頭の表面粗度、嵌合部の大きさ(径、深さ及びテーパー角)等が重要となり、骨頭径の測定方法及び表面粗度に関しては、ISO 7206-2が参考となる。
(4) ステムに関しては、ステム形状、ネック部の形状及び寸法、近位部及び遠位部の寸法、表面処理方法、頸体角、ステム長(外側及び内側ステム長)、ネック長、オフセット長、ネック高さ、ステム径(近位径、遠位径)等が重要となる。
セメントレスステムでは、表面処理方法、表面改質層を有する場合には、表面改質層の構造(改質材の化学成分、形状及びサイズ、表面近傍の組織写真、堆積層の厚さ等) が重要となる。
(5) ねじに関しては、全長、山径、谷径、ピッチ等が重要となる。
(6) ISO 7206-2以外の股関節寸法の許容誤差に関しては、JIS B 0405による公差等級とする。
(7) 必要時に、骨をできるだけ破損することなく特定の部品を取り出して交換できることへの配慮及び部品交換等への保証が考慮されることが望ましい。
3.3 製品の性能評価以下を参考に、性能評価を行うことが望ましい。
(1) 組み合わせ部の性能評価に関しては、嵌合部分及び組み立て部に対して結合力を評価する。例えば、骨頭孔とステムネックテーパー部の嵌合力、金属カップ接合面とポリエチレンライナーの適合性、金属カップとポリエチレンライナーの噛み合わせ力、ステムネック部のポリエチレンライナーとのインピンジメントの可能性等を説明する。
(2) バイポーラカップと骨頭との噛み合わせを説明する。
(3) ネック部を含めて、ステムの耐久性試験は、ISO 7206-4を参考に実施することとする。試験周波数は、3 Hz～5 Hz 程度が望ましく、応力比(最小/最大荷重)=0.1、5x106回を目安に試験することが望ましい。ただし、再置換用のロングステム或いは小型の特殊用途のステムに関しては、ISO 7206-8は適応できないので、使用状態を考慮した条件で試験を行うこととする。
(4) 複数のステムサイズを製造・販売する場合には、破壊のリスクが最も高いと考えられるサイズについて、2本以上の試験を行うことが望ましい。
(5) セラミックス製骨頭の圧縮試験等に関しては、ISO 7206-10を参考に行うことが望ましい。5個以上の骨頭の平均破壊強度は、46 kNを越え、20 kN未満で破壊しないことが望ましい。また、最低3個以上の骨頭を用い、14 kNで107回の疲労試験において、そのすべてにひびや亀裂がみられず、疲労試験後の静的圧縮試験において、20 kN以下で圧縮破壊しないことが望ましい。その際、溶液の影響を調べるため、37℃で 4 週間、試験中、湿度を保持しながら生体内模擬試験溶液(0.9%NaCl或いはリンゲル液等)に浸漬することが重要となる。
(6) 股関節の可動域を考慮することが重要となる。
(7) 摺動部の耐久性の評価は、ISO 14242-1を参考に行うことが望ましい。骨頭とポリエチレンライナーのクリアランスが製品と同じになるように、試験機に設置して試験することが望ましい。摩耗量の計測は、ISO 14242-2を参考に行うとよい。
新規摺動機構では、摩耗粉の形態を走査電子顕微鏡等で観察することが望ましい。
(8) バイポーラカップの摩耗試験は、摺動面の材料が同じ組み合わせである全置換型人工股関節での結果を用いてよい。
(9) コーティング等の表面改質層を有する場合には、表面改質層の構造(改質材の化学成分、形状及びサイズ、表面近傍の組織写真、堆積層の厚さ等)を評価することが望ましい。ただし、5年間以上の販売・臨床使用実績が既にある表面処理方法で、それに起因する特段の不具合が報告されていない場合、同じ工程で製造する限り、新規の評価は必要としない。
なお、材料表面への皮膜を生成する技術及び凹凸処理は、特殊表面処理には含まれない。
(10) 骨形成促進因子等を表面に付与する場合に関しては、ハイブリッド型人工骨・骨補填材の開発ガイドラインが参考となる。
(11) 表面処理部の母材との接合強度(密着強度及びせん断強度)は、ISO 13779-4を参考に行うこととする。引張強度及びせん断強度は、20 MPa以上であることが望ましい。ただし、十分に密着強度を測定できる接着剤の開発が期待される。
(12) 骨との密着強度の評価は、ウサギ以上の動物でのプッシュアウト試験(引抜き試験)及び骨形成の観察により行う。ウサギでの埋植部位としては、大腿骨髄腔内、脛骨等が考えられる。
(13) ねじの耐久性は、4点曲げ疲労試験等により行うことが望ましい。
(14) ポリエチレンライナーの滅菌による安定性は、ISO 5834-3、ISO 5834-4が参考となるが、滅菌は、金属材料の劣化には殆んど影響を与えない。
４．その他の基礎的な事項
平成12年3月28日付け医薬審第526号 厚生省医薬安全局審査管理課長通知｢整形インプラント製品の承認申請に係る取扱いについて｣、平成12年12月28日付け医療機器審査No.29 厚生省医薬安全局審査管理課事務連絡｢整形インプラント製品の承認申請に係る取扱いに関するQ&Aについて｣、平成17年2月16日付け薬食機発第0216001号 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室長通知｢医療機器の製造販売承認申請に際し留意すべき事項について｣、平成17年2月16日付け薬食機発第0216003号 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室長通知｢医療機器の製造販売承認申請書添付資料概要作成の手引きについて｣、平成17年3月31日付け薬食発第0331038号 厚生労働省医薬食品局長通知「医療機器の安全性に関する非臨床試験の実施の基準に関する省令の施行について」、平成15年2 月13日付け医薬審発第0213001号 厚生労働省医薬局審査管理課長通知「医療用具の製造(輸入)承認申請に必要な生物学的安全性試験の基本的考え方について」、及び平成15年3月19 日付け医療機器審査No.36 厚生労働省医薬局審査管理課事務連絡「生物学的安全性試験の基本的考え方に関する参考資料について」等を参考に行うこととする。
さらに、例示した関連規格(JIS、ISO、ASTM)及び米国FDA510kガイダンスが参考となるが、複数の類似規格が存在する場合には、最適な規格を選択して行うこととする。 |
| 引用関連規格 |
５．関連通知など
5.1 関連通知
(1) 平成16年11月15日付け医療機器審査No.19 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室事務連絡「医療用具の製造(輸入)承認申請書における原材料記載について」
(2) 平成12年3月28日付け医薬審第526号 厚生省医薬安全局審査管理課長通知｢整形インプラント製品の承認申請に係る取扱いについて｣
(3) 平成12年12 月28 日付け医療機器審査No.29 厚生省医薬安全局審査管理課事務連絡｢整形インプラント製品の承認申請に係る取扱いに関するQ&Aについて｣
(4) 平成17年2月16日付け薬食機発第0216001号 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室長通知｢医療機器の製造販売承認申請に際し留意すべき事項について｣
(5) 平成17年2月16日付け薬食機発第0216003号 厚生労働省医薬食品局審査管理課医療機器審査管理室長通知｢医療機器の製造販売承認申請書添付資料概要作成の手引きについて｣
(6) 平成17年3月31日付け薬食発第0331038号 厚生労働省医薬食品局長通知「医療機器の安全性に関する非臨床試験の実施の基準に関する省令の施行について」
(7) 平成15年2月13日付け医薬審発第0213001号 厚生労働省医薬局審査管理課長通知「医療用具の製造(輸入)承認申請に必要な生物学的安全性試験の基本的考え方について」
(8) 平成15年3月19日付け医療機器審査No.36 厚生労働省医薬局審査管理課事務連絡「生物学的安全性試験の基本的考え方に関する参考資料について」
表1 人工股関節用素材規格
表2 素材の評価法
JIS或いはISOを優先的に示しているが、類似なASTM規格を用いてもよい。
5.2 関連JIS
(1) JIS T 0301:2000 金属系インプラント材料の細胞適合性評価方法
(2) JIS T 0302:2000 金属系生体材料のアノード分極試験による耐食性の評価方法
(3) JIS T 0303:2000 人工関節用材料のピンオンディスク法による摩耗試験方法
(4) JIS T 0304:2002 金属系生体材料の溶出試験方法
(5) JIS T 0305:2002 擬似体液中での異種金属間接触腐食試験方法
(6) JIS T 0306:2002 金属系生体材料の不動態皮膜のＸ線光電子分光法(XPS)による状態分析
(7) JIS T 0993-1:2005 医療機器の生物学的評価－第１部: 評価及び試験
(8) JIS T 7401-1:2002 外科インプラント用チタン材料-第1部:チタン
(9) JIS T 7401-2:2002 外科インプラント用チタン材料-第2部:Ti-6Al-4V合金展伸材
(10) JIS T 7401-3:2002 外科インプラント用チタン材料-第 3 部:Ti-6Al-2Nb-1Ta 合金展伸材
(11) JIS T 7401-4:2002 外科インプラント用チタン材料-第4部:Ti-15Zr-4Nb-4Ta合金展伸材
(12) JIS T 7401-5:2002 外科インプラント用チタン材料-第5部:Ti-6Al-7Nb合金展伸材
(13) JIS T 7401-6:2002 外科インプラント用チタン材料-第6部:Ti-15Mo-5Zr-3Al合金展伸材
(14) JIS T 7402-1:2005 外科インプラント用コバルト基合金-第 1 部:コバルト-クロムモリブデン合金鋳造材
(15) JIS T 7402-2:2005 外科インプラント用コバルト基合金-第 2 部:コバルト-クロムモリブデン合金展伸材
(16) JIS T 7402-3:2005 外科インプラント用コバルト基合金-第 3 部:コバルト-クロムタングステン-ニッケル合金展伸材
(17) JIS T 7402-4:2005 外科インプラント用コバルト基合金-第 4 部:コバルト-クロムニッケル-モリブデン-鉄合金展伸材
(18) JIS T 7403-1:2005 外科インプラント用鉄基合金-第1部:ステンレス鋼
(19) JIS T 7403-2:2005 外科インプラント用鉄基合金-第2部:高窒素ステンレス鋼
(20) JIS G 0577:2005 ステンレス鋼の孔食電位測定方法
(21) JIS R 1607:1995 ファインセラミックスの破壊靱性試験方法
(22) JIS Z 2241:1998 金属材料引張試験方法
(23) JIS Z 2244:2003 ビッカース硬さ試験-試験方法
(24) JIS K 7113:1995 プラスチックの引張試験法
(25) JIS B 0405:1991 普通公差－第1部:個々に公差の指示がない長さ寸法及び角度寸法に対する公差
5.3 関連ISO及びASTM
(1) ISO 5834-1 Implants for surgery -- Ultra-high-molecular-weight polyethylene -- Part 1: Powder form
(2) ISO 5834-2 Implants for surgery -- Ultra-high-molecular-weight polyethylene -- Part 2: Moulded forms
(3) ISO 5834-3 Implants for surgery -- Ultra-high-molecular-weight polyethylene -- Part 3: Accelerated ageing methods
(4) ISO 5834-4 Implants for surgery -- Ultra-high-molecular-weight polyethylene -- Part 4: Oxidation index measurement method
(5) ISO 6474 Implants for surgery -- Ceramic materials based on high purity alumina
(6) ISO 7206-2 Implants for surgery -- Partial and total hip joint prostheses -- Part 2: Articulating surfaces made of metallic, ceramic and plastics materials
(7) ISO 7206-4 Implants for surgery -- Partial and total hip joint prostheses -- Part 4: Determination of endurance properties of stemmed femoral components
(8) ISO 7206-8 Implants for surgery -- Partial and total hip joint prostheses -- Part 8: Endurance performance of stemmed femoral components with application of torsion
(9) ISO 7206-10 Implants for surgery -- Partial and total hip joint prostheses -- Part 10: Determination of resistance to static load of modular femoral heads
(10) ISO 10993-1 Biological evaluation of medical devices -- Part 1: Evaluation and testing
(11) ISO 13356 Implants for surgery -- Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP)
(12) ISO 13779-1 Implants for surgery -- Hydroxyapatite -- Part 1: Ceramic hydroxyapatite
(13) ISO 13779-4 Implants for surgery -- Hydroxyapatite—Part 4: Determination of coating adhesion strength
(14) ISO 14242-1 Implants for surgery -- Wear of total hip-joint prostheses -- Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test
(15) ISO 14242-2 Implants for surgery -- Wear of total hip-joint prostheses -- Part 2: Methods of measurement
(16) ISO 15732 Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) -- Test method for fracture toughness of monolithic ceramics at room temperature by single edge precracked beam (SEPB) method
(17) ISO 16428 Implants for surgery -- Test solutions and environmental conditions for static and dynamic corrosion tests on implantable materials and medical devices
(18) ISO 16429 Implants for surgery -- Measurements of open-circuit potential to assess corrosion behavior of metallic implantable materials and medical devices over extended time periods
(19) ISO 18756 Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) -- Determination of fracture toughness of monolithic ceramics at room temperature by the surface crack in flexure (SCF) method
(20) ISO 21535 Non-active surgical implants -- Joint replacement implants -- Specific requirements for hip-joint replacement implants
(21) ISO 24370 Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) -- Test method for fracture toughness of monolithic ceramics at room temperature by chevron notched beam (CNB) method
(22) ASTM F603-00 Standard specification for high-purity dense aluminum oxide for medical application
(23) ASTM F648-07 Standard specification for ultra-high-molecular weight polyethylene powder and fabricated form for surgical implants
(24) ASTM F799-06 Standard specification for cobalt-28chromium-6molybdenum alloy forgings for surgical implants (UNS R31537, R31538, R31539)
(25) ASTM F981-04 Standard practice for assessment of compatibility of biomaterials for surgical implants with respect to effect of materials on muscle and bone
(26) ASTM F1044-05 Standard test method for shear testing of calcium phosphate coatings and metallic coatings
(27) ASTM F1088-04a Standard specification for beta-tricalcium phosphate for surgical implantation
(28) ASTM F1147-05 Standard test method for tension testing of calcium phosphate and metallic coatings
(29) ASTM F1185-03 Standard specification for composition of hydroxylapatite for surgical implants
(30) ASTM F1586-02 Standard specification for wrought nitrogen strengthened 21 chromium-10 nickel-3 manganese-2.5 molybdenum stainless steel alloy bar for surgical implants (UNS S 31675)
(31) ASTM F1609-03 Standard specification for calcium phosphate coatings for implantable materials
(32) ASTM F1612-95 Standard practice for cyclic fatigue testing of metallic stemmed hip arthroplasty femoral components with torsion
(33) ASTM F1714-96 Standard guide for gravimetric wear assessment of prosthetic hip-designs in simulator devices
(34) ASTM F1801-97 Standard practice for corrosion fatigue testing of metallic implant materials
(35) ASTM F1820-97 Standard test method for determining the axial disassembly force of a modular acetabular device (reapproved 2003)
(36) ASTM F1978-00 Standard test method for measuring abrasion resistance of metallic thermal spray coatings by using the taber abraser
(37) ASTM F2003-02 Standard practice for accelerated aging of ultra-high molecular weight polyethylene after gamma irradiation in air
(38) ASTM F2009-00 Standard test method for determining the axial disassembly force of taper connections of modular prostheses
(39) ASTM F2033-05 Standard specification for total hip joint prosthesis and hip endoprosthesis bearing surfaces made of metallic, ceramic, and polymeric materials
(40) ASTM F2102-06 Standard guide for evaluating the extent of oxidation in ultra-high-molecular-weight polyethylene fabricated forms intended for surgical implants
(41) ASTM F2131-02 Standard test method for In vitro biological activity of recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) using the w-20 mouse stromal cell line
(42) ASTM F2384-05 Standard specification for wrought zirconium-2.5niobium alloy for surgical implant applications (UNS R 60901)
5.4 FDA 510kガイダンス関連
(1) Class Ⅱ Special Controls Guidance Document: Hip Joint Metal/Polymer Constrained Cemented or Uncemented Prosthesis; Guidance for Industry and FDA
(2) Guidance Document for the Preparation of Premarket Notifications for Ceramic Ball Hip Systems
(3) Guidance for Industry on the Testing of Metallic Plasma Sprayed Coatings on Orthopedic Implants to Support Reconsideration of Postmarket Surveillance Requirements
(4) Guidance Document for Testing Non-Articulating, “Mechanically Locked”, Modular Implant Components
(5) Guidance Document for Testing Orthopedic Implants with Modified Metallic Surfaces Apposing Bone or Bone Cement
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