發(fā)布日期：2019-08-13
近年來，增材制造工藝迅猛發(fā)展，其工藝精準(zhǔn)、成本低、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)可定制化等特點(diǎn)逐步顯現(xiàn)。有別于減材制造技術(shù)的大規(guī)模制式生產(chǎn)特點(diǎn)，定制化生產(chǎn)完美匹配了醫(yī)療界精準(zhǔn)醫(yī)療的需求。國內(nèi)外業(yè)界對使用個(gè)性化醫(yī)療器械取代舊有規(guī)格化產(chǎn)品的呼聲越來越高，已逐步成為醫(yī)學(xué)界的共識(shí)。
面對這種情況，國內(nèi)外監(jiān)管部門和學(xué)界均進(jìn)行了探索和思考。美國FDA發(fā)布了個(gè)性化增材制造醫(yī)療器械指南，歐洲也進(jìn)行了相關(guān)的思索和探討。日前，國家藥品監(jiān)管局與國家衛(wèi)健委則聯(lián)合發(fā)布了《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）》。
本文根據(jù)已有的個(gè)性化義齒、定制矯形器、國內(nèi)首個(gè)增材制造個(gè)性化膝關(guān)節(jié)矯形器的審評審批關(guān)鍵點(diǎn)，借鑒美國FDA及歐盟針對增材制造醫(yī)療器械提出的患者匹配性設(shè)計(jì)的監(jiān)管思路，分析提出從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過程控制來保證個(gè)性化醫(yī)療器械安全有效的監(jiān)管思路,明確了材料的控制要求、設(shè)計(jì)制作的工藝驗(yàn)證和確認(rèn)、滅菌工藝要求等監(jiān)管要點(diǎn)，供監(jiān)管機(jī)構(gòu)和企業(yè)參考。
□謝能
目前，美國、歐盟已經(jīng)對部分使用3D打印工藝的醫(yī)療器械頒發(fā)了510K上市許可。如牛津生物材料、OSteoFab均獲得了FDA產(chǎn)品上市許可或CE證書。在FDA看來，3D打印技術(shù)作為一種制造工藝，只要其工藝參數(shù)和制造過程得到驗(yàn)證和確認(rèn)，即被允許用于大規(guī)模制造的規(guī)格化醫(yī)療器械。FDA要求企業(yè)進(jìn)行臨床試驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以證明材料和打印過程的穩(wěn)定性、可重復(fù)性。同時(shí)要求提供設(shè)計(jì)驗(yàn)證資料。
由于臨床病例數(shù)不足，個(gè)性化醫(yī)療器械無法按照常規(guī)化的臨床試驗(yàn)要求提供滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)要求的臨床病例數(shù)。企業(yè)和FDA通過強(qiáng)化設(shè)計(jì)過程輸出，以證明產(chǎn)品在物理方面的安全有效性。企業(yè)提供數(shù)據(jù)模型的有限元分析報(bào)告，有限元分析是目前在工程領(lǐng)域被廣泛使用的一種數(shù)據(jù)模擬分析方法，以驗(yàn)證產(chǎn)品的物理特性（如應(yīng)力分布、抗拉強(qiáng)度等），已在航空航天、汽車制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
企業(yè)通過對人體進(jìn)行CT和/或核磁共振掃描，得到人體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型。在這些數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行有限元?jiǎng)澐忠约办o應(yīng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)應(yīng)力學(xué)模擬分析。隨后將得到的有限元分析結(jié)果報(bào)告連同相應(yīng)的設(shè)計(jì)開發(fā)文檔（如產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙、結(jié)構(gòu)特征描述、產(chǎn)品預(yù)期用途描述、用戶手冊、臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)報(bào)告、產(chǎn)品生物相容性報(bào)告等）一并提交FDA，以證明設(shè)計(jì)參數(shù)得到了驗(yàn)證及確認(rèn)。目前上市產(chǎn)品臨床使用反響良好。
我國已對《定制式增材制造醫(yī)療器械注冊技術(shù)審查指導(dǎo)原則》公開征求意見，并發(fā)布了定制式醫(yī)療器械的監(jiān)管規(guī)定，同時(shí)針對個(gè)性化義齒發(fā)布了《醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范附錄？定制式義齒》。在整個(gè)審評過程中，針對目前比較成熟的個(gè)性化義齒產(chǎn)品，通過其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)來進(jìn)行審評，通過對產(chǎn)品原材料、工藝驗(yàn)證等加強(qiáng)監(jiān)管，取得了良好的成效。按照現(xiàn)有的法律法規(guī)來看，最近公布的產(chǎn)品分類公告已經(jīng)明確了增材制造個(gè)性化模型、手術(shù)導(dǎo)板等均為二類醫(yī)療器械產(chǎn)品。
域外審評思路及方法
2014年，F(xiàn)DA成立了增材制造工作小組，并進(jìn)行了相關(guān)討論。隨后把討論內(nèi)容公布在了FDA官網(wǎng)上，從中可以看到FDA對于3D打印個(gè)性化醫(yī)療器械產(chǎn)品的思考方向。2017年12月，F(xiàn)DA發(fā)布了《增材制造醫(yī)療器械指導(dǎo)原則》。歐盟監(jiān)管人員也對3D打印個(gè)性化醫(yī)療器械監(jiān)管進(jìn)行了相關(guān)的思考，發(fā)表了文章。
材料控制方面 FDA和歐盟均要求明確原材料在加工過程中的性狀穩(wěn)定性。企業(yè)應(yīng)明確在生產(chǎn)制造過程中材料是否發(fā)生了改性變化，以及不同的聚合物體系在制造過程的穩(wěn)定性和變化情況。明確添加劑的成分及在打印過程中材料成分的變化、各種加工助劑（交聯(lián)劑、光引發(fā)劑等）的使用對產(chǎn)品最終物理、生物性能的影響；明確材料可重復(fù)利用的次數(shù)對材料生物相容性、氧含量變化的影響。
FDA在官方指南中明確要求企業(yè)提供原材料的材料分析證書，對于不同種類的原材料提出了控制指標(biāo)。
設(shè)計(jì)過程方面 FDA要求設(shè)計(jì)軟件應(yīng)具有防錯(cuò)功能，防止設(shè)計(jì)者超出設(shè)計(jì)規(guī)范。臨床醫(yī)生與工程師應(yīng)經(jīng)過溝通進(jìn)行特征選擇，同時(shí)需考慮醫(yī)生的使用方便性和工具使用便利性。歐盟則明確3D打印過程中使用不同軟件應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證確認(rèn)，以避免數(shù)據(jù)誤差的逐級放大。FDA在其官方指南中明確了患者匹配性器械（PMD：Patient-matched devices）設(shè)計(jì)的概念。PMD設(shè)計(jì)應(yīng)明確所有設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍值（即最大和最小值），并強(qiáng)調(diào)成像影響的重要性，考慮軟組織的變化情況和疾病進(jìn)展對PMD設(shè)計(jì)有效性的影響。同時(shí)，在設(shè)計(jì)模型的交互中明確對個(gè)人身份信息的保管是至關(guān)重要的。FDA在其官方指南中明確了影像掃描、數(shù)字模型設(shè)計(jì)、切片、路徑規(guī)劃的整個(gè)軟件工作流程。
目前，國內(nèi)外使用的三維重建、產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件均不相同，使用的三維重建算法也不同。這使后期數(shù)據(jù)模型經(jīng)過三維重建、設(shè)計(jì)后產(chǎn)生的尺寸誤差存在超差的風(fēng)險(xiǎn)。
貨架壽命 FDA和歐盟均考慮到應(yīng)確定3D打印原材料和成品的貨架壽命。由于3D打印個(gè)性化醫(yī)療器械具有“面向特定患者”的個(gè)性化特點(diǎn)，這類產(chǎn)品的貨架壽命應(yīng)有別于大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的貨架期要求。FDA在其官方指南中明確，PMD有效期應(yīng)由患者成像日期或設(shè)計(jì)確認(rèn)日期開始設(shè)定。
各向異性的考慮 FDA明確了由于3D打印層疊特性所造成各項(xiàng)異性的問題，及其對產(chǎn)品的影響，并明確在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免各向異性所造成的產(chǎn)品性能下降。產(chǎn)品在Z軸方向的性能和XY軸的性能不一致，故需考慮在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)利用這一特點(diǎn)保證產(chǎn)品性能。
工藝參數(shù)驗(yàn)證和確認(rèn) FDA和歐盟均明確，應(yīng)確定3D打印過程工藝參數(shù)驗(yàn)證確認(rèn)和批間差范圍。由于3D打印過程是在計(jì)算機(jī)輔助控制下進(jìn)行的生產(chǎn)制造過程，涉及激光制造、紫外固化、熱塑熔融等諸多不同工藝過程，按照不同的工藝過程明確相應(yīng)的工藝參數(shù)區(qū)間是一個(gè)重要確認(rèn)內(nèi)容。只有保證了工藝參數(shù)窗口的穩(wěn)定，才能確保批間差在可控區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)。
FDA在其官方指南中明確，對于軟件變更、材料變更、工藝流程變更均需進(jìn)行工藝的重新驗(yàn)證和確認(rèn)。
后處理 FDA和歐盟均明確應(yīng)對熱處理、拋光等后處理過程加以驗(yàn)證和確認(rèn)。3D打印過程具有層疊特性，打印完畢后產(chǎn)品表面存在水波紋。考慮到產(chǎn)品的美觀要求，需進(jìn)行產(chǎn)品表面拋光，而拋光過程會(huì)使表面硬化。3D打印產(chǎn)品如進(jìn)行熱處理，可進(jìn)一步提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善材料性能，故對于一些結(jié)構(gòu)承重件會(huì)進(jìn)行熱處理。
滅菌和清洗工藝考慮 由于產(chǎn)品的不規(guī)則性應(yīng)確定相應(yīng)的滅菌工藝參數(shù)。3D打印個(gè)性化產(chǎn)品為定制件，每次滅菌可能對應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀均不一致。FDA在其官方指南中明確，應(yīng)考慮最壞情況下的滅菌和清洗驗(yàn)證情況。
檢測 FDA和歐盟均認(rèn)為，個(gè)性化產(chǎn)品具有“僅此一件”的先天特性，需考慮使用無損檢測技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品出廠檢測，這些技術(shù)包括超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描、染料滲透、共聚焦顯微鏡、高光譜成像等多種檢測方式。
FDA在其官方指南中明確，應(yīng)采用測試樣塊進(jìn)行最壞情況的驗(yàn)證，包括樣塊設(shè)置在邊界區(qū)域，將樣塊設(shè)置為最復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)。
對我國的審評建議
在材料方面 應(yīng)著重材料的成分變化，明確原材料和產(chǎn)品的生物相容性。根據(jù)不同打印工藝，明確不同打印添加劑的生物學(xué)評價(jià)資料。只有保證了原材料、加工助劑、成品的生物相容性，才能明確整個(gè)3D打印過程的過程可控性和產(chǎn)品安全性。
對于個(gè)性化義齒材料而言，每種材料都有對應(yīng)的產(chǎn)品注冊證，經(jīng)過了生物學(xué)評價(jià)和物理化學(xué)性能的檢驗(yàn)，所以在個(gè)性化義齒材料方面已經(jīng)具有相當(dāng)成熟的監(jiān)管控制要求，可以參考上述監(jiān)管模式對個(gè)性化醫(yī)療器械產(chǎn)品的原材料加以控制。
在設(shè)計(jì)方面 應(yīng)明確在進(jìn)行3D打印設(shè)計(jì)前，企業(yè)與臨床醫(yī)生的溝通應(yīng)基于一個(gè)多種規(guī)格尺寸的臨床樣本模擬分析數(shù)據(jù)庫。企業(yè)可在不同區(qū)間范圍內(nèi)取值進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，明確受力情況及相應(yīng)的應(yīng)力分布，保證產(chǎn)品安全性。
可根據(jù)臨床樣本數(shù)據(jù)庫提供的特征值生成設(shè)計(jì)規(guī)范，對所使用的不同軟件進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)成品模型進(jìn)行物理尺寸分析，以保證設(shè)計(jì)誤差在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)對建立的工具通道與醫(yī)生溝通，保證醫(yī)生操作便利性。
在增材制造個(gè)性化膝關(guān)節(jié)矯形器的審評審批中，考慮到個(gè)性化醫(yī)療器械醫(yī)工交互的特點(diǎn)，要求對整個(gè)設(shè)計(jì)流程采用的軟件（掃描軟件、建模軟件、切片軟件等）均加以驗(yàn)證，從而達(dá)到進(jìn)行設(shè)計(jì)控制的目的。
個(gè)性化義齒生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范中已經(jīng)明確，應(yīng)對排牙軟件、掃描軟件等設(shè)計(jì)過程中使用的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，從而達(dá)到滿足精度的要求。
關(guān)于貨架壽命 應(yīng)對原材料的特性同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)化和加速老化實(shí)驗(yàn)，在老化實(shí)驗(yàn)過程中明確原材料和成品的物理、化學(xué)、生物性能。3D打印個(gè)性化產(chǎn)品針對特定的患者，可將貨架壽命大幅縮短為設(shè)計(jì)確認(rèn)日至預(yù)定手術(shù)日期。如病人情況發(fā)生急速變化，則應(yīng)重新進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)確認(rèn)。
在增材制造個(gè)性化膝關(guān)節(jié)矯形器的設(shè)計(jì)過程中，使用疲勞實(shí)驗(yàn)的方法得到產(chǎn)品的極限使用頻次，進(jìn)而確定產(chǎn)品的貨架期。
各向異性的考慮 由于3D打印沿Z軸運(yùn)動(dòng)層疊，Z軸方向的物理性能與x軸、y軸不一致。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段考慮到Z軸方向的細(xì)微變化，分析應(yīng)力集中情況，防止出現(xiàn)破裂等情況。
驗(yàn)證和確認(rèn)工藝參數(shù) 不同的工藝過程、設(shè)備、環(huán)境均對工藝過程有不同程度的影響。由于工藝過程的正常波動(dòng)，需對各種關(guān)鍵工藝參數(shù)成組進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。不同的設(shè)備和運(yùn)行地點(diǎn)均需進(jìn)行工藝參數(shù)的驗(yàn)證及確認(rèn)，保證工藝參數(shù)的范圍及批間差在允許的區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)。強(qiáng)調(diào)企業(yè)應(yīng)對產(chǎn)品的工藝窗口進(jìn)行確認(rèn)，并累積數(shù)據(jù)。
增材制造個(gè)性化膝關(guān)節(jié)矯形器主要采用激光熔覆尼龍打印技術(shù)，不同的增材制造工藝、不同的材料均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)參數(shù)的變化，需進(jìn)行工藝參數(shù)的控制和驗(yàn)證。
關(guān)于后處理 對于使用的熱等靜壓等熱處理技術(shù)，應(yīng)明確熱等靜壓模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、施加的壓力、溫度、升溫速率、保溫時(shí)間、降溫速率對后期金相結(jié)構(gòu)、硬度、表面粗糙度等的影響。
個(gè)性化義齒后處理有打磨、拋光工藝。個(gè)性化增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器后處理有去支撐、打磨。在整個(gè)后處理過程中會(huì)有較大的揚(yáng)塵產(chǎn)生，需要有專用的打磨拋光車間。
滅菌工藝 在滅菌過程中應(yīng)明確使用挑戰(zhàn)品來明確最復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使用與挑戰(zhàn)品相同的工藝制作復(fù)雜的多微孔結(jié)構(gòu)，在打印過程中放入菌片。滅菌完成后對菌片進(jìn)行無菌檢測，如檢測結(jié)果合格，則可進(jìn)一步證明滅菌工藝參數(shù)的有效性。
如有條件，針對復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)植入物，可考慮在無菌工作環(huán)境中進(jìn)行打印，從生產(chǎn)過程本身來保證產(chǎn)品的低生物負(fù)載水平。
檢測 明確通過過程控制來保證產(chǎn)品質(zhì)量，對隨爐樣品進(jìn)行理化、生物性能的檢測?？墒褂蔑@微CT、單光子CT掃描等檢測技術(shù)獲得產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行定量判斷。
不建議使用測試樣塊進(jìn)行最壞情況分析，主要原因有三：第一，會(huì)增加患者手術(shù)費(fèi)用；第二，樣塊所能模擬的最壞情況和整個(gè)產(chǎn)品的力學(xué)結(jié)構(gòu)情況存在差異，無法整體模擬判斷；第三，樣塊的力學(xué)性能測試并不能代表產(chǎn)品本身的最壞情況。
建議使用計(jì)算機(jī)模擬分析產(chǎn)品的力學(xué)情況，也可使用樣塊進(jìn)行化學(xué)成分的分析和基礎(chǔ)的層間結(jié)合力分析。
上市后監(jiān)管 個(gè)性化醫(yī)療器械存在個(gè)性化特性，無法通過對產(chǎn)品復(fù)檢來考量產(chǎn)品的質(zhì)量，需要加強(qiáng)事中事后監(jiān)管，要求企業(yè)、臨床醫(yī)生對上市后產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，評價(jià)其安全有效性。
對于個(gè)性化義齒，上海采用了可追溯系統(tǒng)進(jìn)行上市后的監(jiān)管，可通過系統(tǒng)追溯到對應(yīng)的每個(gè)義齒的生產(chǎn)制造商、所采用的主體原材料等。
來源：中國醫(yī)藥報(bào)
