王春仁-生物学评价

医疗器械生物学评价技术王春仁中国食品药品检定研究院南京2013年10月17日医疗器械质量标准的三大指标1、物理性能：物理和机械指标2、化学性能：化学表征指标3、生物性能：生物学评价指标医疗器械生物学评价的目的目的：将器械的风险降到最低的程度。风险来源：生物学危害生物学危害：1、材料：毒性成分2、机械：机械故障3、使用：使用不当医疗器械生物学评价的方式1、生物学试验2、已有的生物学试验报告3、文献报道4、临床使用资料物理性质变化大小、形状、弹性、强度、硬度、蠕变、磨损、热传导等；化学性质变化结构、降解、亲水、疏水、吸附等；生物材料的变化生物体方面的变化机械相互作用运动、摩擦、冲击物理化学作用溶出、渗透、降解产物生物化学作用水、酶、蛋白质、氧化、生物电急性局部反应炎症、坏死、排异慢性局部反应钙化、溃疡、炎症急性全身反应过敏、溶血、发热、神经麻痹、毒性反应慢性全身反应致畸、致突变、致癌、免疫反应生物材料与机体相互作用示意图生物相容性生物稳定性生物材料引起生物反应的因素1、材料表面的特性(见下图:接触角)2、材料的添加剂、粘合剂、交联剂3、材料的热效应4、材料的降解产物5、材料和体内物质的反应产物6、物理和机械作用7、机械故障8、其他因素医疗器械生物学评价—生物反应医疗器械主要的生物反应：1、组织反应；2、血液反应；3、免疫反应；4、全身反应。生物反应1、组织反应（1）炎症（2）肿瘤影响因素:表面状态,可滤出的物质/降解物质,污染生物反应2、血液反应：血栓形成影响因素:表面、血流速度、血液粘度生物反应3、免疫反应：1）I型：速发型超敏反应2）II型：细胞毒性超敏反应；3）III型：免疫复合物型超敏反应4）IV型：迟发型超敏反应生物反应4、全身反应：（1）呼吸系统：（2）神经系统：（3）消化系统：（4）骨骼运动系统：（5）心血管系统：（6）其他人体组织的影响：生物反应的临床表现：

炎症

感染

血栓栓塞肿瘤医疗器械生物学评价—生物反应试验方法:1.全身毒性试验2.细胞毒性试验3.刺激试验4.致敏试验5.血液相容性试验6.植入试验7.遗传毒性试验8.致瘤和致癌试验9.生殖和发育毒性试验医疗器械生物学评价试验方法的选择:1、接触时间2、使用部位和用途试验选择的依据1、非接触人体器械2、接触或进入人体器械1）按使用时限分为：暂时使用（24h以内）； 短期使用（24h到30天）；长期使用（超过30天）。2）接触人体的部位分为：A、表面接触器械：皮肤、黏膜。B、外部接入器械：血管、组织/骨/牙本质、血液循环系统、中枢神经系统。C、体内植入医疗器械：骨、组织和血液接触。生物相容性试验的国家标准标准号标准名称发布或修改年份采标情况10993-1风险管理过程中的评价和试验2011GB/T16886.1-2011（采用2009版）10993-2动物福利要求2011GB/T16886.2-2011（采用2006版）10993-3遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验2003GB/T16886.3-2008（采用1992版）10993-4和血液相互作用试验选择（DIS）2002GB/T16886.4-2003（采用2002版）10993-5细胞毒性试验：体外法1999GB/T16886.5-2003（采用1999版）10993-6植入后局部反应试验1997GB/T16886.6-1997（采用1994版）10993-7环氧乙烷灭菌残留量2002GB/T16886.7-2001（采用1995版）10993-9潜在降解产物的定性和定量框架1999GB/T16886.9-2001（采用1999版）10993-10刺激和迟发型超敏试验（DIS）2002GB/T16886.10-2005（采用2002版）10993-11全身毒性试验2011GB/T16886.11-2011（采用2006版）生物相容性试验的国家标准10993-12样品制备与参照材料2002GB/T16886.12-2005（采用1996版）10993-13聚合物降解产物的定性与定量1998GB/T16886.13-2001（采用1998版）10993-14陶瓷制品降解产物的定性和定量2001GB/T16886.14-2003（采用2000版）10993-15涂层和未涂层金属和合金降解产物的定性与定量2000GB/T16886.15-2003（采用2000版）10993-16降解产物和可沥滤物毒性动力学研究设计1997GB/T16886.16-2003（采用1997版）10993-17可沥滤物允许限量的建立2002GB/T16886.17-2005（采用2002版）10993-18材料化学特性2005

10993-19材料理化、形态学与拓补学特性2006

10993-20医疗器械免疫毒理学试验原则与方法2006

10993-21医疗器械生物学评价标准编写指南（CD）2000

生物相容性试验评价流程

生物学评价中注意的问题（1）一般是在材料满足其物理和化学性能后，再去评价它的生物性能。（2）应对最终产品进行生物学试验。（3）灭菌可能对生物材料和医疗器械的潜在作用，以及伴随灭菌而产生的毒性物质，应该用最后灭菌过的产品或最后灭菌过的产品中有代表性的样品作为试验样品进行。（4）在进行生物学评价试验时一般是先进行体外试验，后进行动物试验。如果体外试验都通不过，就不必做动物试验。根据我们多年的经验，一般是先进行溶血试验和细胞毒性试验。（5）进行生物学试验必须要在认可的专业实验室并由经过培训且具有实践经验的专业人员进行。在对最终产品作出评价结论时，也应考虑到产品的具体用途及有关文献。（6）由于材料和器械的复杂性，很难用合格或不合格这样的结论。否则会出现两种可能，一种可能是受到不必要的限制，另一种可能是产生虚假的安全感。医疗器械评价的目的不是为了简单表明材料或器械没有毒性，而是为了获取合适的资料帮助可靠的管理决策。（7）当最终产品投放上市后，如果制造产品的材料来源或技术条件发生变化；产品的配方、工艺、灭菌条件改变；储存期内产品发生变化；产品用途发生变化；有情况表明产品用于人体时会产生副作用时，要对产品重新进行生物学评价。生物学试验

（1）来源于药物毒理学的试验方法

a)致敏试验：用材料或其浸提液做试验，评价生物材料和医疗器械的潜在过敏原。常用的方法有最大剂量法和接触斑贴法，使用豚鼠做试验。无致敏判定标准：***对照组记分小于1，实验组记分大于等于1，提示致敏；***对照组记分大于等于1，试验组的反应超过对照组最严重的反应，提示致敏；b)刺激试验：用材料或其浸提液做试验，评价生物材料和医疗器械的潜在刺激原。根据生物材料和医疗器械的具体使用部位，可选择进行皮肤刺激试验、皮内刺激试验等。常使用兔子做试验。无刺激判定标准：皮肤和皮内刺激指数不超过0,4。

c)热原试验：检测材料或其浸提液中是否有致热原物质。将材料或其浸提液由静脉注入兔体内（10ml/Kg），在一定时间内观察兔体温变化，以判断在材料或浸提液中所含热原量是否符合人体应用要求。同时有一些生物材料和也可用细菌内毒素检查法，是应用试样与细菌内毒素产生凝集反应的机理，以判断材料或其浸提液中细菌内毒素的限量是否符合标准要求。

d)遗传毒性试验：用哺乳动物或非哺乳动物细胞培养技术，测定生物材料和医疗器械或其浸提液引起的基因突变，染色体结构和数量变化，或其他遗传毒性。为了预防出现假阳性或假阴性，一般要求同时进行[Ames试验、小鼠淋巴瘤基因突变试验(微核试验)和染色体畸变试验]三组试验。微核试验染色体畸变试验

e)致癌试验：由单一途径或多种途径，在试验动物整个寿命期（例如大鼠为2年），测定生物材料和医疗器械的潜在致癌作用。通常和慢性毒性实验合并进行。

f)生殖和发育毒性试验：评价生物材料和医疗器械或其浸提液对生育、生殖功能、胎儿和早期发育的潜在有害作用。试验包括一般生殖毒性试验，致畸胎试验和围产期毒性试验。（2）在方法学上类似药物毒理学试验的方法。a)全身急性毒性试验：用材料或其浸提液，通过单一或多种途径由动物模型做试验，评价其急性有害作用。常对生理盐水浸提液进行小鼠尾静脉注射，对植物油浸提液进行小鼠腹腔注射。在注射后24、48和72小时观察小鼠的体重变化，运动和呼吸状态，以及死亡情况。判定标准：不应观察到毒性反应，体重增加和对照比无明显差异急性毒性试验方法观察指标程度症状无未见毒性症状轻轻度症状但无运动减少，呼吸困难或腹部刺激症状。中腹部刺激症状，呼吸困难，运动减少，眼睑下垂，腹泻体重通常下降至15g—17g之间.重衰竭，发绀，震颤，严重腹部刺激症状，眼睑下垂，呼吸困难，体重下降至小于15g。死亡注射后死亡b)全身亚急性毒性试验（14，28天）。c）全身亚慢性毒性试验（90天）。d)全身慢性毒性试验（半年）。通过多种途径（静脉、腹腔、皮下），测定生物材料和医疗器械的有害作用。结果：统计分析（下图：纤维素引起肝脾损伤）（3）医疗器械特殊的试验方法

a)细胞毒性试验：通过细胞培养技术，测定生物材料和医疗器械或浸提液对细胞溶解（细胞死亡）、抑制细胞生长和其它毒性作用。常用直接接触法（琼脂扩散方法、滤过扩散方法、MTT法、克隆形成试验）。一般体内材料可接受的细胞毒性应不大于2级。细胞毒性试验

b)植入试验：将生物材料和医疗器械和阴性对照植入动物的合适部位（例皮下、肌肉或骨）在观察一定时期后（例短期为7、15、30、60、90天后，长期为180、360天后）评价对活体组织的局部毒性作用。主要是通过病理切片，观察组织的变化。结果判断标准：1)材料周围局部组织的炎症反应和纤维包囊程度应不严重于阴性对照材料。2)包囊或反应区记分之差应不超过1.0。3)显微记分：之差不超过2.9。

c)血液相容性试验：通过生物材料和医疗器械与血液相接触（体外、半体内或体内），评价其对血栓形成、血浆蛋白、血液有形成分和补体系统的作用。其中溶血试验是最常用的粗筛试验。溶血率应不超过5%。溶血试验

d)降解试验:在体内降解的生物材料和医疗器械（例如可吸收性缝合线、可吸收性肾固定材料等）必须进行体内降解试验、以评价其在体内的吸收代谢过程、分布、生物转化、降解产物以及其有害作用。常用同位素标记方法。降解材料体内植入血液相互作用试验的选择1、和循环血液接触的医疗器械与血液相互作用试验初步确定了指南，将试验体系分成5类（凝血、血小板、血液学、补体系统），不同的医疗器械选择不同的试验体系。3、血液相容试验的基本要求（1）应采用阴性和阳性对照。（2）体内植入器械尽量进行动物模型体内试验；（3）体外或与体内相连的器械可进行离体试验（体外、半体内）（4）试验所用设备应确保不会对试验发生干扰，试验中尽量不采用抗凝剂。4、常用的血液相容性试验方法1、溶血试验2、血浆复钙试验、PT、PTT、TT3、血液成分指标试验（WBC，RBC，HCT，HGB，PLT）：4、补体活化试验。5、血栓形成试验6、血小板黏附、聚集和释放试验血栓形成试验血栓形成试验生物降解和生物稳定性1、非吸收性材料：降解—生物稳定性。2、生物可吸收材料：体内外降解性能研究。（1）高分子材料降解的因素体液引起水解导致聚合物链断裂、交联或相变，导致材料性能改变；体内自由基引起氧化降解，导致聚合物链断裂或交联;各种酶形成的催化降解，导致材料结构和性能改变;另外，材料的形态等物理因素也会影响在体内的降解。（2）研究聚合物降解的试验方法（a）体外水解试验：可采用模拟体液，人工唾液、人工血浆等溶液在37±1℃下进行，时间可持续1、3、6或12个月。若进行加速降解试验时，温度一般为70±1℃，时间为2天和60天。（b）体外氧化试验：一般采用3%过氧化氢水溶液，由于含氧化剂溶液随着温度升高和时间延长，其氧化剂浓度也随之变化，因此要求定期（一般为一周）更换含氧化剂溶液。体外酶解试验：常用胃蛋白酶，溶菌酶、尿素酶、糜蛋白酶、组织蛋白酶、胰蛋白酶、胶原蛋白酶等酶的溶液在37℃下进行体外酶解试验。在试验中或试验结束后应对材料的理化性能分析，并且对降解后的产物进行定量和定性分析。降解试验降解试验降解试验3、陶瓷降解虽然许多陶瓷结构在空气中是很稳定的，但在水中还是会缓慢发生降解。陶瓷降解速率与其化学成分和显微结构密切相关。其中孔隙率对陶瓷降解有显著影响。化学降解、物理降解、细胞介导4、金属材料的降解临床上常用的金属和合金有钛及钛合金、钴基合金和不锈钢。金属材料在体内降解主要是腐蚀问题，常用电化学试验进行研究。腐蚀： 点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀。免疫原性

医疗器械产品抗原的来源1合成高分子材料尚未发现具有抗原性(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潜在的抗原性（如动物蛋白，植物防御蛋白）。3合成高分子材料中的添加剂可能存在潜在的抗原（橡胶增强剂）。4金属材料在体内经电化学反应释放的金属离子和体内蛋白结合形成抗原。抗原举例1同种异体脱细胞骨、同种异体脱细胞皮肤