医疗器械生物学评价与测试过程要点荟萃

随着新实施的注册法规在体系和要求上越来越严,医疗器械注册和医疗器械上市的条件也越来越严。而悉知医疗器械评价与测试过程、生物材料测试、医疗器械生物学评价、ISO10993生物学相容性测试等知识要点,可助力更快地完成医疗器械注册和更顺利地推进医疗器械上市。

体外毒性测试

医疗器械测试简单分为体外测试及体内测试两大类。什么叫做体外毒性测试?即不需要动物做的测试。像细胞毒性,我们用小鼠型纤维细胞;像血液相容性测试、溶血测试,我们用兔子血或人血;遗传毒性测试,通常我们用细菌和小鼠淋巴瘤细胞。之所以选择用细胞或体外测试,主要为了减少动物使用,考虑动物福利的原因。国内也越发注重动物保护动物福利,日后可能会立法。新加坡、法国、欧洲都有比较激进的动物保护者采取了针对实验动物的保护行动。

因此,现在越来越多研发体外测试或替代测试方法。因后者是比较灵敏的筛选性测试。比如细胞毒性测试大致7天能得到结果,对后续研发或进一步测试很有指向性。但体外测试无法完全代表体内环境的情况。人体内环境有内环境稳态,包括免疫系统、酸碱平衡、耐受性容错性更好,因此,不能完全代替体内环境。故而需要做体内测试,选择动物模型,更接近人体解剖结构和生化条件。

研发皮肤类,选择家兔做模型,因其皮肤更接近人体皮肤。研发心血管类产品,倾向于选择猪,因其心脏结构最接近人体。因此,当我们希望在更深层次研究和探寻器械功能是否合用的情况下,先做动物测试。当然,要考虑动物福利322原则,尽量减少动物使用,考虑动物的伦理问题,人道和科学地对待动物,不能滥用、虐待动物,对实验进行详细计划,尽可能多地获取实验指标。避免重复、无益实验。

生物相容性影响因素

哪些材料和成分与人体相容性相关,即与人体是否相容。以前常涉及的是被动相容性,即对人和动物不产生危害。现在有个新概念——主动的生物相容性,即不仅不对人体产生危害,而且还能对人体产生有益作用。因此,新的医疗器械的研发对材料提出了新的要求,比如能促进骨组织愈合,诱导骨组织的生长。

在生物材料的生产过程中,以下因素会影响生物相容性:原材料,直接相关;生产加工工艺过程中的添加剂、污染和残留物,比如着色剂和染色剂;脱膜、溶解原材料再注塑的过程中引起的污染;残留物主要指灭菌和消毒过程中的残留物;滤出物指自然条件下和人体长期接触过程中产品释放的物质;降解产物,指人体内的植入物长期接触中产生的降解产物;以及其他终末产品与包装材料等接触带来的组分。产品设计中的物理和化学特性,都会影响生物相容性问题。

测试流程

进行材料的生物学评价过程,第一步是做化学表征测试。比如,医学级材料是否经过USB Classic证书、ISO10993测试等。化学测试仅能测量材料本身是否含有有毒有害物质,还需进一步做动物测试来证实安全性,需按照ISO10993-1部分的附录来筛选动物测试,考虑材料在人体内接触的时间和部位,以及临床应用和已有文献数据来确定测试方法和计划。

所有有源医疗器械和无源医疗器械的安全性,都应按照以下流程图进行测试。

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IVD产品因和人体没有直接接触,不适用ISO10993原则。首先,先看产品与人体有无直接接触,比如膏药、纱布、康复类器械、牙组织体、心血管支架等。间接接触的包括输液器、吸氧雾化器导管,通过管路进入人体内部,经由液体和气体接触人体。如此,判定是否需要按照此流程来进行测试。首先考虑化学表征对人体是安全的。有机和无机的化学成分都需要进行测试。通常原材料供应商会提供化学表征测试报告。当采用原材料供应商提供的材料生产医疗器械,也需要提供化学表征测试报告。接下来,考虑材料在上市产品中已有使用。

另外,器械中组分是否使用了其他材料。生产加工和灭菌过程是否对安全性产生问题。产品与已上市产品相比,与人体接触和使用过程是一致的。如果所有流程都通过认定。则可进行下一步生物学评价。当其中出现不符合某一流程的情况时,需要用文献数据,测试数据来支持测试报告。最终,根据测试报告,分析、解释,对产品的安全性进行阐述,是通过测试还是返回再次研究。

ISO10993中提出了八项原则。围绕医疗器械的评价流程图,要求有紧密的计划,同时强调试验并非唯一结果,只代表评价医疗器械材料安全性的一部分,需要综合判定。从实验设计到发生变化后,这8项原则都需要考虑,一直伴随研发器械和上市后过程。比如,患者和医生产生临床需求后,研发和市场人员考虑是否要研发这一产品,在研发和改进过程中均需考虑生物相容性。当所有研发过程完成后,再考虑是否满足法律要求。再进一步进行临床研究,上市后是否有不良事件,竞争对手是否有不良事件等。再对自身产品进行优化和改进。

通过与人体的接触,医疗器械可分为三类,一类是表面接触类器械,如纱布等。外部接触类器械,如内窥镜,插管,血液透析类设备等。高值耗材类器械,比如支架等植入性医疗器械。按照接触时间进行分类,包括少于24小时,大于24小时,小于30天,大于30天,风险程度依次提高。随着时间接触越长,需要考虑的风险越多,要求的测试标准越高。

化学表征测试和生物学评价

生物相容性的评价过程就是考虑化学表征和测试的过程。

材料标准考虑化学测试,是按照ISO10993-18部分,按照与病人接触的时间和部位进行。同时考虑是否需要进一步的生物学评价。目前国内医疗器械测试和评价,此部分是热门且重要话题。举例:心血管支架已出现药物洗脱支架,可降解支架,是高风险类产品,长期接触,基本需要做全套的生物相容性测试。国外大致需要100万人民币,周期很长,需进行植入性实验等。国内更多接受化学表征测试和生物学评价。因器械设计已经非常成熟,主要风险来源于材料,考虑安全性便主要考虑其材料的安全性。

国外认为,应用化学方法检测材料的化学特性来判定安全性。精度达到ppM,或ppp。百万级甚至更高级别,灵敏度和精度都很高,以此免除进一步的生物学测试,包括动物学测试等。但国内的标准要求仍比较保守。现阶段,对国内企业的要求太高,因为找不到能独立完成全部化学表征测试的企业和毒理学评价专家。因此,目前更多的事依靠动物测试来做生物学评价。

关于和人体直接接触部位的反应,是化学表征测试无法代替的。植入过后反应需要用植入测试来评价。做生物学评价过程中,并不都需要做动物测试。比如,目前最常见的椎间融合器,选择的是peak材料,还有骨科的骨钉、骨板等是合金材料,有很长使用历史,原材料厂家有很全面的实验数据。生产厂家只是选择其进行制造,因此不需要进行额外的测试。可以通过寻找测试数据,而不是重新做实验,来证明其生物安全性。

但若用peak材料拿来做关节、牙组织体等新材料。通过机械切割达不到铸件要求,需要熔融和重塑,对化学有重大改变,则不能使用之前的化学报告,需要做额外的动物实验。

ISO10993生物学相容性测试

介绍ISO10993-1及整个标准的重要章节中的生物学测试、体外测试,包括细胞毒性测试,致敏测试(-5章节中)和皮肤刺激性测试(-10章节中)。急性全身毒性测试(-11章节中)。

大部分生物学材料都归于二类中,比较安全。因此主要做此三项测试:细胞毒性,致敏,皮肤刺激性测试。基本所有医疗器械均需做次三项测试。此外,还有急性系统毒性测试,亚急、亚慢性系统毒性测试。还有与人体接触时间更长者,需做遗传毒性测试。植入测试,血液相容性测试,包括溶血测试,血栓形成性测试、补体测试、凝血性测试(-4章节中)。以及慢性毒性测试、致癌性测试、生物降解性测试、生殖毒性测试,免疫毒性测试,毒代动力学测试等。

大多数研发企业不会考虑到材料改变,而是设计上的改变,因此较少涉及材料重新做测试项目的情况。现在较热的三个测试是毒代动力学测试,免疫毒性测试,生物降解性测试。因更多企业在做新的研发尝试,使用更多动物源性材料和可降解性材料。

如何进行测试,或与测试机构沟通测试需求。首先,需要制备浸提液。制备浸提溶液,将材料浸泡在其中。分为极性(生理盐水,细胞毒性测试是特例,用培养基),非极性浸提液(植物油,包括酒精,植物油和菜籽油),额外的浸提液(带血清的培养基、DMSO、水和酒精的混合物)。如何选择浸提液,根据相似相溶原理,选择浸提液就是根据产品所含材料的化学特性选择。让企业自行筛选的原因是,产品在某些浸提液中发生溶解,改变了产品特性,不符合测试要求,筛选浸提比例是送检时非常重要的环节。

由企业根据产品特性和临床使用要求自行选择。选择适宜温度和时间进行。较少选择37℃,因为美国FDA不认为37℃为严苛条件。而动物材料,如含有胶原蛋白者,可以选择37℃。

任何与人体接触的,均需做测试,可以选择完整器械或部分器械做测试。

具体测试有细胞毒性测试、快速筛选性测试,选择用哺乳动物细胞,最常用的是小鼠神经细胞L929,方法有浸提法、直接接触法、非直接接触法(琼脂扩散法、滤膜扩散法)。评价方法包括在显微镜下看生长、形态、代谢情况。材料与人体血液有接触时,做细胞毒性测试。

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如图,阳性对照,细胞结构破坏严重。毒性判定在4级。

另外两个常见测试,一个皮肤刺激,一个皮肤致敏。这事与人体直接接触的器械均需做的测试。皮肤致敏测试是免疫原性测试。皮肤刺激是局部化非特异性炎性反应。

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如图,通常用家兔,直接接触或浸提液与其皮肤接触,做皮肤测试。观察红肿情况打分,计算指数,判断有/无刺激性。

更深层次,与粘膜接触或植入的产品,需做皮内刺激反应测试。做成浸提液,打入家兔皮肤真皮层,观察红肿情况,判定刺激等级。

皮肤致敏用豚鼠。

急性毒性测试也很常规,最早是在美国药典中测试药盒的。国内法规是根据测试装药容器而开发出来的。主要通过制备浸提液,小鼠腹腔或尾静脉注入,观察小鼠临床症状和死亡情况。比如转圈,体重下降,呼吸不畅等。通常一周得到测试结果。

除了急性,还有亚急、亚慢、慢性测试。是由于与人体接触时间更长而需要做的测试。具体对动物进行4周、13周、26周的测试。选择植入,反复注射的方法进行。观察体重、血液生化反应、临床反应、器官重量的变化、病理切片等。这些均是对应高风险类器械的测试。

还有热源反应,当材料接触人体后引起发热,属于不良反应。可由材料引起或生产工艺引起,由材料引起的用兔子做浸提液注射来做,由生产工艺引起的用细菌做热源反应测试,看细菌内毒素的凝胶测试情况。

遗传毒性主要做体外测试,包括细菌回复性测试、小鼠淋巴瘤测试、体外细胞染色体畸变测试。致癌性测试因使用安全材料,涉及较少。

生殖毒性测试,观察是否影响生殖力、致畸性、产前和产后发育。主要针对新型材料,器械涉及较少。

植入性测试,通常使用兔子。考虑2-12周的短周期,或大于12周的长周期测试。

血液测试。溶血、血栓形成、血液生化分析、血凝、补体等等。

降解性测试。

免疫反应测试:新的、动物源性材料可能有免疫学问题,需要考虑。主要包括过敏、免疫抑制、免疫刺激、自身免疫反应等。

如何筛选高质量的测试机构,确保有质量的测试结果。首先,最基本的是,是否具备ISO17025资质。其次,针对医疗器械的临床前测试,GLP。要求有良好的实验室规范,测试数据具可靠性、准确性,是可重复、可追溯的。FDA对此有严格要求,必须提供GLP测试报告。

最后,研发医疗器械的目的,是治疗疾病,帮助患者。而测试的目的,一方面是拿到准证,一方面是客观评价器械是否已经安全有效。希望企业提交社会的材料和产品是安全的,对病人负责,也是对生产企业自身负责。一旦出现产品问题,处罚力度非常大。

 

 

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