王春仁-生物學(xué)評價

醫(yī)療器械生物學(xué)評價技術(shù)王春仁中國食品藥品檢定研究院南京2013年10月17日醫(yī)療器械質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的三大指標(biāo)1、物理性能：物理和機(jī)械指標(biāo)2、化學(xué)性能：化學(xué)表征指標(biāo)3、生物性能：生物學(xué)評價指標(biāo)醫(yī)療器械生物學(xué)評價的目的目的：將器械的風(fēng)險降到最低的程度。風(fēng)險來源：生物學(xué)危害生物學(xué)危害：1、材料：毒性成分2、機(jī)械：機(jī)械故障3、使用：使用不當(dāng)醫(yī)療器械生物學(xué)評價的方式1、生物學(xué)試驗2、已有的生物學(xué)試驗報告3、文獻(xiàn)報道4、臨床使用資料物理性質(zhì)變化大小、形狀、彈性、強(qiáng)度、硬度、蠕變、磨損、熱傳導(dǎo)等；化學(xué)性質(zhì)變化結(jié)構(gòu)、降解、親水、疏水、吸附等；生物材料的變化生物體方面的變化機(jī)械相互作用運動、摩擦、沖擊物理化學(xué)作用溶出、滲透、降解產(chǎn)物生物化學(xué)作用水、酶、蛋白質(zhì)、氧化、生物電急性局部反應(yīng)炎癥、壞死、排異慢性局部反應(yīng)鈣化、潰瘍、炎癥急性全身反應(yīng)過敏、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹、毒性反應(yīng)慢性全身反應(yīng)致畸、致突變、致癌、免疫反應(yīng)生物材料與機(jī)體相互作用示意圖生物相容性生物穩(wěn)定性生物材料引起生物反應(yīng)的因素1、材料表面的特性(見下圖:接觸角)2、材料的添加劑、粘合劑、交聯(lián)劑3、材料的熱效應(yīng)4、材料的降解產(chǎn)物5、材料和體內(nèi)物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物6、物理和機(jī)械作用7、機(jī)械故障8、其他因素醫(yī)療器械生物學(xué)評價—生物反應(yīng)醫(yī)療器械主要的生物反應(yīng)：1、組織反應(yīng)；2、血液反應(yīng)；3、免疫反應(yīng)；4、全身反應(yīng)。生物反應(yīng)1、組織反應(yīng)（1）炎癥（2）腫瘤影響因素:表面狀態(tài),可濾出的物質(zhì)/降解物質(zhì),污染生物反應(yīng)2、血液反應(yīng)：血栓形成影響因素:表面、血流速度、血液粘度生物反應(yīng)3、免疫反應(yīng)：1）I型：速發(fā)型超敏反應(yīng)2）II型：細(xì)胞毒性超敏反應(yīng)；3）III型：免疫復(fù)合物型超敏反應(yīng)4）IV型：遲發(fā)型超敏反應(yīng)生物反應(yīng)4、全身反應(yīng)：（1）呼吸系統(tǒng)：（2）神經(jīng)系統(tǒng)：（3）消化系統(tǒng)：（4）骨骼運動系統(tǒng)：（5）心血管系統(tǒng)：（6）其他人體組織的影響：生物反應(yīng)的臨床表現(xiàn)：

炎癥

感染

血栓栓塞腫瘤醫(yī)療器械生物學(xué)評價—生物反應(yīng)試驗方法:1.全身毒性試驗2.細(xì)胞毒性試驗3.刺激試驗4.致敏試驗5.血液相容性試驗6.植入試驗7.遺傳毒性試驗8.致瘤和致癌試驗9.生殖和發(fā)育毒性試驗醫(yī)療器械生物學(xué)評價試驗方法的選擇:1、接觸時間2、使用部位和用途試驗選擇的依據(jù)1、非接觸人體器械2、接觸或進(jìn)入人體器械1）按使用時限分為：暫時使用（24h以內(nèi)）； 短期使用（24h到30天）；長期使用（超過30天）。2）接觸人體的部位分為：A、表面接觸器械：皮膚、黏膜。B、外部接入器械：血管、組織/骨/牙本質(zhì)、血液循環(huán)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)。C、體內(nèi)植入醫(yī)療器械：骨、組織和血液接觸。生物相容性試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號標(biāo)準(zhǔn)名稱發(fā)布或修改年份采標(biāo)情況10993-1風(fēng)險管理過程中的評價和試驗2011GB/T16886.1-2011（采用2009版）10993-2動物福利要求2011GB/T16886.2-2011（采用2006版）10993-3遺傳毒性、致癌性和生殖毒性試驗2003GB/T16886.3-2008（采用1992版）10993-4和血液相互作用試驗選擇（DIS）2002GB/T16886.4-2003（采用2002版）10993-5細(xì)胞毒性試驗：體外法1999GB/T16886.5-2003（采用1999版）10993-6植入后局部反應(yīng)試驗1997GB/T16886.6-1997（采用1994版）10993-7環(huán)氧乙烷滅菌殘留量2002GB/T16886.7-2001（采用1995版）10993-9潛在降解產(chǎn)物的定性和定量框架1999GB/T16886.9-2001（采用1999版）10993-10刺激和遲發(fā)型超敏試驗（DIS）2002GB/T16886.10-2005（采用2002版）10993-11全身毒性試驗2011GB/T16886.11-2011（采用2006版）生物相容性試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)10993-12樣品制備與參照材料2002GB/T16886.12-2005（采用1996版）10993-13聚合物降解產(chǎn)物的定性與定量1998GB/T16886.13-2001（采用1998版）10993-14陶瓷制品降解產(chǎn)物的定性和定量2001GB/T16886.14-2003（采用2000版）10993-15涂層和未涂層金屬和合金降解產(chǎn)物的定性與定量2000GB/T16886.15-2003（采用2000版）10993-16降解產(chǎn)物和可瀝濾物毒性動力學(xué)研究設(shè)計1997GB/T16886.16-2003（采用1997版）10993-17可瀝濾物允許限量的建立2002GB/T16886.17-2005（采用2002版）10993-18材料化學(xué)特性2005

10993-19材料理化、形態(tài)學(xué)與拓補(bǔ)學(xué)特性2006

10993-20醫(yī)療器械免疫毒理學(xué)試驗原則與方法2006

10993-21醫(yī)療器械生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)編寫指南（CD）2000

生物相容性試驗評價流程

生物學(xué)評價中注意的問題（1）一般是在材料滿足其物理和化學(xué)性能后，再去評價它的生物性能。（2）應(yīng)對最終產(chǎn)品進(jìn)行生物學(xué)試驗。（3）滅菌可能對生物材料和醫(yī)療器械的潛在作用，以及伴隨滅菌而產(chǎn)生的毒性物質(zhì)，應(yīng)該用最后滅菌過的產(chǎn)品或最后滅菌過的產(chǎn)品中有代表性的樣品作為試驗樣品進(jìn)行。（4）在進(jìn)行生物學(xué)評價試驗時一般是先進(jìn)行體外試驗，后進(jìn)行動物試驗。如果體外試驗都通不過，就不必做動物試驗。根據(jù)我們多年的經(jīng)驗，一般是先進(jìn)行溶血試驗和細(xì)胞毒性試驗。（5）進(jìn)行生物學(xué)試驗必須要在認(rèn)可的專業(yè)實驗室并由經(jīng)過培訓(xùn)且具有實踐經(jīng)驗的專業(yè)人員進(jìn)行。在對最終產(chǎn)品作出評價結(jié)論時，也應(yīng)考慮到產(chǎn)品的具體用途及有關(guān)文獻(xiàn)。（6）由于材料和器械的復(fù)雜性，很難用合格或不合格這樣的結(jié)論。否則會出現(xiàn)兩種可能，一種可能是受到不必要的限制，另一種可能是產(chǎn)生虛假的安全感。醫(yī)療器械評價的目的不是為了簡單表明材料或器械沒有毒性，而是為了獲取合適的資料幫助可靠的管理決策。（7）當(dāng)最終產(chǎn)品投放上市后，如果制造產(chǎn)品的材料來源或技術(shù)條件發(fā)生變化；產(chǎn)品的配方、工藝、滅菌條件改變；儲存期內(nèi)產(chǎn)品發(fā)生變化；產(chǎn)品用途發(fā)生變化；有情況表明產(chǎn)品用于人體時會產(chǎn)生副作用時，要對產(chǎn)品重新進(jìn)行生物學(xué)評價。生物學(xué)試驗

（1）來源于藥物毒理學(xué)的試驗方法

a)致敏試驗：用材料或其浸提液做試驗，評價生物材料和醫(yī)療器械的潛在過敏原。常用的方法有最大劑量法和接觸斑貼法，使用豚鼠做試驗。無致敏判定標(biāo)準(zhǔn)：***對照組記分小于1，實驗組記分大于等于1，提示致敏；***對照組記分大于等于1，試驗組的反應(yīng)超過對照組最嚴(yán)重的反應(yīng)，提示致敏；b)刺激試驗：用材料或其浸提液做試驗，評價生物材料和醫(yī)療器械的潛在刺激原。根據(jù)生物材料和醫(yī)療器械的具體使用部位，可選擇進(jìn)行皮膚刺激試驗、皮內(nèi)刺激試驗等。常使用兔子做試驗。無刺激判定標(biāo)準(zhǔn)：皮膚和皮內(nèi)刺激指數(shù)不超過0,4。

c)熱原試驗：檢測材料或其浸提液中是否有致熱原物質(zhì)。將材料或其浸提液由靜脈注入兔體內(nèi)（10ml/Kg），在一定時間內(nèi)觀察兔體溫變化，以判斷在材料或浸提液中所含熱原量是否符合人體應(yīng)用要求。同時有一些生物材料和也可用細(xì)菌內(nèi)毒素檢查法，是應(yīng)用試樣與細(xì)菌內(nèi)毒素產(chǎn)生凝集反應(yīng)的機(jī)理，以判斷材料或其浸提液中細(xì)菌內(nèi)毒素的限量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

d)遺傳毒性試驗：用哺乳動物或非哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，測定生物材料和醫(yī)療器械或其浸提液引起的基因突變，染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化，或其他遺傳毒性。為了預(yù)防出現(xiàn)假陽性或假陰性，一般要求同時進(jìn)行[Ames試驗、小鼠淋巴瘤基因突變試驗(微核試驗)和染色體畸變試驗]三組試驗。微核試驗染色體畸變試驗

e)致癌試驗：由單一途徑或多種途徑，在試驗動物整個壽命期（例如大鼠為2年），測定生物材料和醫(yī)療器械的潛在致癌作用。通常和慢性毒性實驗合并進(jìn)行。

f)生殖和發(fā)育毒性試驗：評價生物材料和醫(yī)療器械或其浸提液對生育、生殖功能、胎兒和早期發(fā)育的潛在有害作用。試驗包括一般生殖毒性試驗，致畸胎試驗和圍產(chǎn)期毒性試驗。（2）在方法學(xué)上類似藥物毒理學(xué)試驗的方法。a)全身急性毒性試驗：用材料或其浸提液，通過單一或多種途徑由動物模型做試驗，評價其急性有害作用。常對生理鹽水浸提液進(jìn)行小鼠尾靜脈注射，對植物油浸提液進(jìn)行小鼠腹腔注射。在注射后24、48和72小時觀察小鼠的體重變化，運動和呼吸狀態(tài)，以及死亡情況。判定標(biāo)準(zhǔn)：不應(yīng)觀察到毒性反應(yīng)，體重增加和對照比無明顯差異急性毒性試驗方法觀察指標(biāo)程度癥狀無未見毒性癥狀輕輕度癥狀但無運動減少，呼吸困難或腹部刺激癥狀。中腹部刺激癥狀，呼吸困難，運動減少，眼瞼下垂，腹瀉體重通常下降至15g—17g之間.重衰竭，發(fā)紺，震顫，嚴(yán)重腹部刺激癥狀，眼瞼下垂，呼吸困難，體重下降至小于15g。死亡注射后死亡b)全身亞急性毒性試驗（14，28天）。c）全身亞慢性毒性試驗（90天）。d)全身慢性毒性試驗（半年）。通過多種途徑（靜脈、腹腔、皮下），測定生物材料和醫(yī)療器械的有害作用。結(jié)果：統(tǒng)計分析（下圖：纖維素引起肝脾損傷）（3）醫(yī)療器械特殊的試驗方法

a)細(xì)胞毒性試驗：通過細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，測定生物材料和醫(yī)療器械或浸提液對細(xì)胞溶解（細(xì)胞死亡）、抑制細(xì)胞生長和其它毒性作用。常用直接接觸法（瓊脂擴(kuò)散方法、濾過擴(kuò)散方法、MTT法、克隆形成試驗）。一般體內(nèi)材料可接受的細(xì)胞毒性應(yīng)不大于2級。細(xì)胞毒性試驗

b)植入試驗：將生物材料和醫(yī)療器械和陰性對照植入動物的合適部位（例皮下、肌肉或骨）在觀察一定時期后（例短期為7、15、30、60、90天后，長期為180、360天后）評價對活體組織的局部毒性作用。主要是通過病理切片，觀察組織的變化。結(jié)果判斷標(biāo)準(zhǔn)：1)材料周圍局部組織的炎癥反應(yīng)和纖維包囊程度應(yīng)不嚴(yán)重于陰性對照材料。2)包囊或反應(yīng)區(qū)記分之差應(yīng)不超過1.0。3)顯微記分：之差不超過2.9。

c)血液相容性試驗：通過生物材料和醫(yī)療器械與血液相接觸（體外、半體內(nèi)或體內(nèi)），評價其對血栓形成、血漿蛋白、血液有形成分和補(bǔ)體系統(tǒng)的作用。其中溶血試驗是最常用的粗篩試驗。溶血率應(yīng)不超過5%。溶血試驗

d)降解試驗:在體內(nèi)降解的生物材料和醫(yī)療器械（例如可吸收性縫合線、可吸收性腎固定材料等）必須進(jìn)行體內(nèi)降解試驗、以評價其在體內(nèi)的吸收代謝過程、分布、生物轉(zhuǎn)化、降解產(chǎn)物以及其有害作用。常用同位素標(biāo)記方法。降解材料體內(nèi)植入血液相互作用試驗的選擇1、和循環(huán)血液接觸的醫(yī)療器械與血液相互作用試驗初步確定了指南，將試驗體系分成5類（凝血、血小板、血液學(xué)、補(bǔ)體系統(tǒng)），不同的醫(yī)療器械選擇不同的試驗體系。3、血液相容試驗的基本要求（1）應(yīng)采用陰性和陽性對照。（2）體內(nèi)植入器械盡量進(jìn)行動物模型體內(nèi)試驗；（3）體外或與體內(nèi)相連的器械可進(jìn)行離體試驗（體外、半體內(nèi)）（4）試驗所用設(shè)備應(yīng)確保不會對試驗發(fā)生干擾，試驗中盡量不采用抗凝劑。4、常用的血液相容性試驗方法1、溶血試驗2、血漿復(fù)鈣試驗、PT、PTT、TT3、血液成分指標(biāo)試驗（WBC，RBC，HCT，HGB，PLT）：4、補(bǔ)體活化試驗。5、血栓形成試驗6、血小板黏附、聚集和釋放試驗血栓形成試驗血栓形成試驗生物降解和生物穩(wěn)定性1、非吸收性材料：降解—生物穩(wěn)定性。2、生物可吸收材料：體內(nèi)外降解性能研究。（1）高分子材料降解的因素體液引起水解導(dǎo)致聚合物鏈斷裂、交聯(lián)或相變，導(dǎo)致材料性能改變；體內(nèi)自由基引起氧化降解，導(dǎo)致聚合物鏈斷裂或交聯(lián);各種酶形成的催化降解，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)和性能改變;另外，材料的形態(tài)等物理因素也會影響在體內(nèi)的降解。（2）研究聚合物降解的試驗方法（a）體外水解試驗：可采用模擬體液，人工唾液、人工血漿等溶液在37±1℃下進(jìn)行，時間可持續(xù)1、3、6或12個月。若進(jìn)行加速降解試驗時，溫度一般為70±1℃，時間為2天和60天。（b）體外氧化試驗：一般采用3%過氧化氫水溶液，由于含氧化劑溶液隨著溫度升高和時間延長，其氧化劑濃度也隨之變化，因此要求定期（一般為一周）更換含氧化劑溶液。體外酶解試驗：常用胃蛋白酶，溶菌酶、尿素酶、糜蛋白酶、組織蛋白酶、胰蛋白酶、膠原蛋白酶等酶的溶液在37℃下進(jìn)行體外酶解試驗。在試驗中或試驗結(jié)束后應(yīng)對材料的理化性能分析，并且對降解后的產(chǎn)物進(jìn)行定量和定性分析。降解試驗降解試驗降解試驗3、陶瓷降解雖然許多陶瓷結(jié)構(gòu)在空氣中是很穩(wěn)定的，但在水中還是會緩慢發(fā)生降解。陶瓷降解速率與其化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其中孔隙率對陶瓷降解有顯著影響?；瘜W(xué)降解、物理降解、細(xì)胞介導(dǎo)4、金屬材料的降解臨床上常用的金屬和合金有鈦及鈦合金、鈷基合金和不銹鋼。金屬材料在體內(nèi)降解主要是腐蝕問題，常用電化學(xué)試驗進(jìn)行研究。腐蝕： 點蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕。免疫原性

醫(yī)療器械產(chǎn)品抗原的來源1合成高分子材料尚未發(fā)現(xiàn)具有抗原性(例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等均不具有抗原性）。2天然高分子材料具有潛在的抗原性（如動物蛋白，植物防御蛋白）。3合成高分子材料中的添加劑可能存在潛在的抗原（橡膠增強(qiáng)劑）。4金屬材料在體內(nèi)經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)釋放的金屬離子和體內(nèi)蛋白結(jié)合形成抗原?？乖e例1同種異體脫細(xì)胞骨、同種異體脫細(xì)胞皮膚