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医疗器械生物相容性评价试验检测解决方案思路
点击次数:55 发布时间:2022-07-18

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行业背景:

为确保医疗器械的质量以及临床医疗使用的安全、有效,必须对其生产过程中涉及到的非活性材料进行生物相容性评价,以用于生产工艺过程的监控及最终产品的放行。因此,生物相容性评价是生物材料研究中始终贯穿的主题,也是相关产品生产企业必须关注的问题。对于已设计定型并在完善的质量管理体系下生产的医疗器械终产品,若其预期与人体直接或间接接触,则在其进行人体临床应用或临床试验之前,需对其进行充分、完整的生物相容性评价。终产品的生物相容性评价需要首先了解产品相关的化学组成,如原材料、加工助剂、工艺中可能引入的污染物、可能生成的材料降解产物等,甚至需要考虑原材料本身制造过程引入的杂质(可以从原材料供应商处获取相关信息),在此基础上还可对终产品进行材料表征和可沥滤物分析以进一步验证其组成成分和杂质水平。建立在对产品化学组成和杂质水平充分了解基础上的生物相容性评价才更加可靠。


现有的医疗器械安全有效性评价是基于 GB/T 16886 系列标准要求,标准中有些方法主要参考药包材等检验方法,但由于医疗器械的材料、预期用途、使用方法等与药包材有很大区别,加上医疗器械本身的多样性,现有生物相容性项目是否足够与完善就成为医疗器械生物相容性领域研究的焦点。生物学试验中样品的制备条件作为生物学试验的基础,直接影响着试验数据的准确性和有效性,更应受到足够的重视。


生物相容性作为生物材料研究中始终贯穿的主题,其并没有一个固定化的概念。一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性。通常意义上,生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应,也就是说材料植入人体后与人体的相容程度。


按ISO会议的解释"生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能。近年来,生物相容性的概念发生了较大的变化,其对象不仅为非活性材料,而且也涉及活性材料如组织工程。

生物材料对于宿主来说是一种外源性物质,不管是外科手术植入的器械,还是用于再生医学的构成物、药物或基因送递的载体、辅助诊断或成像的介质。无论想达到什么目的,这些生物材料都不应该在宿主或患者体内产生明显的临床不良反应,因此要对生物材料进行生物安全性评价。


1 、医疗器械产品进行生物相容性检测的意义:

随着生物医学工程的发展,医疗器械行业也在飞速地进步。许多新型的生物材料不断涌现并不断被应用于医疗器械的研发与应用中。


一方面各种三类医疗器械产品的结构及组成成分越来越复杂,特别是人体直接接触的外部接入器械及植入器械结构复杂、材质多样;另一方面目前越来越多的一次性无菌医疗器械应用于临床,在应用前必须是无菌包装,稍有不慎就容易造成细菌内毒素及其他形式的污染,因而这类产品的医疗风险越来越高。为了保证产品的安全有效,一种新的生物材料在进入临床之前必须进行生物相容性的评价,这就对生物材料的生物相容性评价提出了更高的要求。


2、生物相容性评价路径:

生物相容性评价有两种路径:整体评价路径和终点评价路径(如图1 所示)。


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图1. 生物相容性评价路径


2.1 整体评价路径:

此种评价路径不需要选择评价终点,因为是对器械进行整体生物学风险的评估,但前提是所评价的终产品存在可比器械。可比器械为已在境内上市的器械或生物相容性评价证据链完整的器械,一般为本企业器械才具有可比性。可比器械如果与待评价器械在任何可能与生物学风险相关的方面(如材料配方和来源、生产工艺和灭菌工艺、物理状态、表面结构、初包装材料,以及与人体的接触等)均相同,则可直接得出产品生物学风险等同的结论。若有任何细微差别,可针对差别进行相关的对比分析并补充评价,以支持相关差异带来的额外生物学风险可接受。例如,其中某一种原材料的来源不同,可根据其接触途径等,在必要时开展适度的化学表征对其进行对比分析,证明是否产生额外的生物学风险。若可比器械为已在境内上市的医疗器械,则生物相容性评价完成;若可比器械未在境内上市,则需针对各个评价终点确认可比器械的生物相容性评价证据链是否完整,不完整的补充进行生物相容性评价。


2.2 终点评价路径

如果所评价的终产品不存在可比器械,则需要步入终点评价路径,即针对各个评价终点进行评价。一般可参照GB18666.1(ISO 10993-1)中的评价终点矩阵图,根据终产品与人体接触的途径和时间确定需要评价的终点,如细胞毒性等,但有些特殊的器械有特定的国家标准或行业标准要求,可按相关标准进行选择。终点确定后,不同的终点可以选择不同的评价方式。有三种评价方式可供选择,即材料表征- 毒理学评价,标准化的生物学试验和动物研究/临床数据。

材料表征- 毒理学评价:即参照GB/T 16886.18(ISO10993-18)进行材料化学表征,参照GB/T 16886.17(ISO10993-17)进行毒理学评价。此种方式一般适用于评价系统性的毒性终点,如全身毒性、遗传毒性、生殖毒性、致癌性。当生物学试验的不确定度很高时,可以考虑采用材料表征- 毒理学评价的方式作为补充,但这种方式一般不用于评价细胞毒性、致敏、植入后局部反应、血液相容性等终点。毒理学阈值(TTC)评价方法也属于此种方式。此种方式除了用于部分终点的评价,还用于医疗器械中具有一定毒性的加工助剂残留量的可接受性评价,如有机溶剂、交联剂残留量,也可用于评估当器械的原材料或加工助剂的来源或技术条件、产品某种次要成分、生产工艺或灭菌参数、初包装材料等发生改变时是否引入新的生物学风险,以及新的生物学风险是否可以接受。


标准化的生物学试验:采用终产品或有代表性的样品作为试验材料。无法直接试验的,通常用其浸提液进行试验。浸提的原则是尽可能与临床建立联系,在标准的浸提条件中尽可能选择更苛刻的条件,以获得更大的安全系数,如在材料不发生变化的情况下选择提取能力更强的浸提介质、更高的浸提温度、更高的浸提比例、更长的浸提时间等,但有时两种浸提条件之间相比并不存在绝对的严苛性。剂量选择也是在可行性和尽可能大的安全系数之间的平衡。对于多次使用的器械还需要考虑生物学反应的积累效应。需要确认生物学试验的样品能够代表最差状态,如货架储存时间的考虑。对于观察局部反应的试验如植入试验、刺激试验等,样品制备时还需要考虑表面结构的影响。为便于结果的分析,生物学试验还需考虑是否设置对照,如阴性对照、阳性对照等。需注意的是,对于药械组合产品,生物学试验结果可能会受到干扰,需要考虑是否将终产品和不含药部分分别进行评价。当然,试验的质量控制也是非常重要的方面。


动物研究/ 临床数据:一般所说的动物研究指的是模拟临床使用途径的原位动物实验,主要用于医疗器械临床前可行性、有效性、安全性研究的目的。其并不能充分识别生物学风险,但在一些特殊情形中也可以起到补充生物相容性评价的作用。例如,当血栓形成试验中出现血栓评级较高的情况,可结合动物研究中的血栓形成数据对结果的可接受性进行综合评价。还有对于带有药物涂层的球囊扩张导管评价药物的亚慢性毒性时也可结合动物研究中的数据进行观察。但是,如果用动物研究方式代替部分生物学试验来评价医疗器械的生物相容性,则需考虑动物研究是否符合GB/T 16886(ISO 10993)系列标准对于相应生物学试验的观察指标、观察时间点、动物数量、样品数量等具体要求。临床数据虽然是zui接近医疗器械真实应用安全性、有效性的数据,但由于其样本量、观测方式、其他因素干扰等条件所限,对于生物学风险的识别可能并不是很敏感,因此临床数据一般不能直接用于生物相容性评价,但可作为产品生物相容性评价的有益补充,例如,对于某些生物学试验结果的临床可接受性评估具有重要参考意义。


以上三种评价方式可以互相补充,对生物相容性评价提供完整证据链。如果评价数据为文献或历史数据,需要考虑适用性和数据质量等问题。以上两条路径也可结合起来,如部分终点采用可比器械数据,部分终点采用待评价器械数据。


2.3生物相容性评价结果的接受准则

生物相容性评价的结果并不能单独依据生物学试验的数据讨论是否可以接受。医疗器械的生物相容性是否可接受是基于对终产品的受益和风险进行综合分析进而判断的,因此需结合医疗器械的各项非临床和临床研究数据以及其相关产品的临床应用信息。需要注意的是,并不是所有的生物学反应都是不良的,或是不期望的,有些反应是材料或其降解产物,结合特定的物理作用(如生物力学作用)来激发宿主做出的适当应答。


3、生物相容性评价两大原则:

3.1 生物安全性原则:安全、科学、有效

目的在于消除生物材料对人体器官的破坏性,比如细胞毒性和致癌性。另外,生物材料对于宿主是异物,在体内必定会产生某种应答或出现排异现象。生物材料如果要成功,至少要使发生的反应被宿主接受,不产生有害作用。


3.2 生物功能性原则:相容、安全、有效

生物功能性是指其在特殊应用中“能够激发宿主恰当地应答"的能力。随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现不仅要对生物材料的毒副作用要进行评价,还要进一步评价生物材料对生物功能的影响。


4、生物相容性评价之生物学反应:

4.1 血液反应:血小板血栓、凝血系统激活、纤溶系统激活、溶血反应、白细胞反应、细胞因子反应、蛋白黏附。

4.2 免疫反应:补体系统激活、体液免疫反应、细胞免疫反应。

4.3 组织反应:炎症反应、细胞黏附、细胞增殖、形成囊膜、细胞质的转变。

4.4 材料反应

(1)物理性质变化

引起生物医用材料变化的因素:1)生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动;2)细胞黏附吞噬作用。

(2)化学性质变化

引起生物体反应的因素:1)材料中残留有毒性的低分子物质;2)材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体;3)材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解产物;4)材料和制品的形状、大小、表面光滑程度;5)材料的酸碱度。


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5、生物相容性的分类:

5.1 血液相容性:材料用于心血管系统与血液直接接触,主要考察与血液的相互作用。

血液相容性要求:抗血小板血栓形成、抗凝血性、抗溶血性、抗白细胞减少性、抗补体系统抗进性、抗血浆蛋白吸附性、抗细胞因子吸附性。

5.2 组织相容性(一般生物相容性):材料与心血管系统外的组织和器官接触,主要考察与组织的相互作用。

组织相容性要求:细胞黏附性、无抑制细胞生长性、细胞激活性、抗细胞原生质变化性、抗炎症性、无抗原性、无诱变性、无致癌性、无致畸性。


6、生物相容性的评价标准:

6.1 医疗器械ISO中生物学评价标准的特点

(1)明确了医疗装置的分类,将接触部位分为表面接触、体外与体内接触、体内植入三大类;

(2)在接触时间上将小于24h的接触列为一时接触,短、中期接触时间大于24h至30天,30天以上为长期接触;

(3)生物学评价试验分为基本评价试验和补充评价试验两大类。亚慢性、亚急性毒性试验列入了基本评价试验项目中,取消了热原试验项目;在补充评价试验中增加了生殖与发育毒性和生物降解试验两个项目。

6.2 中国生物学评价标准与国际标准的不同

(1)将热原试验列为基本评价的生物学评价试验;

(2)将溶血试验列为一项生物学评价试验;

(3)将亚急性(亚慢性)毒性试验列入补充评价部分。


7、生物相容性评价试验特点:

(1)大部分体内、外生物学试验检测样品用材料浸提液,用121℃生理盐水60min浸提进行试验;

(2)直接用材料和医疗器械植入体内,与组织、血液或体表组织、血液接触进行试验;

(3)大部分的体内试验是通过外科无菌手术操作方式进行的;

(4)进行体外细胞培养,观察样品的细胞毒性,测定浸提液或材料对细胞溶解(细胞死亡)、抑制生长的毒性作用;

(5)致癌试验是用不同形状、大小、表面状态的材料植入体内某一部位,观察动物整个寿命期材料和医疗器械对体内潜在的致癌作用;

(6)血液相容性试验是通过材料和医疗器械直接接触血液,首先观察对血小板激活、血栓形成的凝血作用,其次观察血浆蛋白、血液有形成分和补体系统、细胞因子的作用;

(7)植入试验是将生物材料和医疗器械埋入动物体内某些部位,观察埋入不同时间材料对局部的组织病理学的改变;

(8)降解试验是采用各种体内外方法,测定材料和医疗器械的降解程度、力学强度的变化,了解降解产物在体内的吸收、分布、代谢过程,评价材料对机体的有害作用。


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8、生物相容性评价的试验项目:

生物相容性评价可按医疗器械接触人体的部位(如皮肤、黏膜、组织、血液等)、方式(直接、间接接触或植入)、时间(短时、长期和持久)和用途分类,一般所评价的生物相容性试验项目如下。

8.1 细胞毒性试验

本法是将细胞与医疗器械材料直接接触,或将材料浸出液加到单层培养的细胞上,观察器械、材料和/或其浸提液引起的细胞溶解、细胞生长抑制等毒性影响作用。

8.2刺激与迟发性超敏反应试验

本试验用于评价从医疗器械中释放出的化学物质可能引起的接触性危害,包括导致的对皮肤与黏膜的刺激、口眼刺激,及迟发型接触超敏反应。试验动物常用兔、豚鼠、金地黄鼠。

8.3全身毒性试验

用材料或其浸提液,通过单一途径或多种途径(静脉、腹腔)用动物模型做试验。试验动物常用小鼠。

8.4亚慢性毒性(亚急性毒性)

通过多种途径,在不到实验动物寿命10%的时间内(例如,大鼠最多到90天),测定材料的有害作用。试验动物常用兔、大鼠。

8.5遗传毒性试验

该试验包括细菌性基因突变试验、哺乳动物基因畸变试验和哺乳动物基因突变试验。

用哺乳动物或非哺乳动物细胞、细菌、酵母菌或真菌测定材料、器械或浸提液是否能引起基因突变、染色体结构畸变以及其他DNA或基因变化。

8.6植入试验

将材料植入动物的合适部位(如肌肉或骨),观察一个周期后,评价材料对活体组织的局部毒性作用。试验动物常用兔、大鼠。

8.7血液相容性试验

血液相容性是通过材料与血液接触(体内或半体内),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。

8.8慢性毒性试验

通过多种途径,在不少于试验动物大部分寿命期内(例如,大鼠通常为6个月),一次或多次接触医疗器械、材料和/或其浸提液的作用。试验动物常用大鼠。

8.9致癌性试验

由单一途径或多种途径,在试验动物整个寿命期,测定医疗器械潜在的致癌作用。

8.10生殖与发育毒性试验

评价医疗器械或其浸提液对生殖功能、胚胎发育(致畸性),以及对胎儿和婴儿早期发育的潜在影响。

8.11生物降解试验

该试验针对可能产生降解产物的医用材料,如聚合物、陶瓷、金属和合金等,判定其潜在的降解产物。

8.12毒代动力学研究试验

采用生理药代动力学模型来评价某种已知具有毒性或其毒性是未知的化学物的吸收、分布、代谢和排泄的试验。参见GB/T16886.16标准方法。

8.13免疫毒性试验

要根据器械材料的化学性质、免疫毒理学作用的原始数据,或在化学物的潜在免疫原性是未知的情况下应考虑免疫毒性试验。

8.14  EO残留量

常由解析不完全,或材料吸附等原因造成。参照ISO10993、GB/T16886有关标准方法。


9、生物相容性评价的试验标准

在此汇总了中国国家药品监督管理局目前现行或者即将实施的生物相容性系类标准。

9.1. 国标GB/T 16886生物相容性试验系类标准:

版本

标准名称

实施日期

实施状态

采标标准编号

GB/T 16886.1-2011

医疗器械生物学评价 第1部分:风险管理过程中的评价与试验

2011-12-1

现行

ISO   10993-1:2009

GB/T 16886.2-2011

医疗器械生物学评价 第2部分:动物福利要求

2012-5-1

现行

ISO   10993-2:2006

GB/T 16886.3-2008

医疗器械生物学评价 第3部分:遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验

2008-9-1

现行

ISO   10993-3:2003

GB/T 16886.4-2003

医疗器械生物学评价 第4部分:与血液相互作用试验选择

2003-8-1

现行

ISO   10993-4:2002

GB/T 16886.5-2017

医疗器械生物学评价 第5部分:体外细胞毒性试验

2018-7-1

现行

ISO   10993-5:2009

GB/T 16886.6-2015

医疗器械生物学评价 第6部分:植入后局部反应试验

2017-4-1

现行

ISO 10993-6:2007

GB/T 16886.7-2015

医疗器械生物学评价 第7部分:环氧乙烷灭菌残留量

2017-1-1

现行

ISO 10993-7:2008

GB/T 16886.9-2017

医疗器械生物学评价 第9部分:潜在降解产物的定性和定量框架

2018-7-1

现行

ISO 10993-9:2009

GB/T 16886.10-2017

医疗器械生物学评价 第10部分:刺激与皮肤致敏试验

2018-7-1

现行

ISO   10993-10:2010

GB/T 16886.11-2011

医疗器械生物学评价 第11部分:全身毒性试验

2012-5-1

现行

ISO   10993-11:2006

GB/T 16886.12-2017

医疗器械生物学评价 第12部分:样品制备与参照材料

2018-7-1

现行

ISO   10993-12:2012

GB/T 16886.13-2017

医疗器械生物学评价 第13部分:聚合物医疗器械降解产物的定性与定量

2018-7-1

现行

ISO   10993-13:2010

GB/T 16886.14-2003

医疗器械生物学评价 第14部分:陶瓷降解产物的定性与定量

2003-8-1

现行

ISO   10993-14:2001

GB/T 16886.15-2003

医疗器械生物学评价 第15部分:金属与合金降解产物的定性与定量

2003-8-1

现行

ISO   10993-15:2000

GB/T 16886.16-2013

医疗器械生物学评价 第16部分:降解产物与可沥滤物毒代动力学研究设计

2014-8-1

现行

ISO   10993-16:2010

GB/T 16886.17-2005

医疗器械生物学评价 第17部分:可沥滤物允许*的建立

2006-4-1

现行

ISO   10993-17:2002

GB/T 16886.18-2011

医疗器械生物学评价 第18部分:材料化学表征

2012-5-1

现行

ISO   10993-18:2005

GB/T 16886.19-2011

医疗器械生物学评价 第19部分:材料物理化学、形态学和表面特性表征

2012-5-1

现行

ISO/TS   10993-19:2006

GB/T 16886.20-2015

医疗器械生物学评价 第20部分:医疗器械免疫毒理学试验原则和方法

2017-1-1

现行

ISO/TS   10993-20:2006

9.2.行标 YY/T 0127.1生物相容性试验系类标准

版本

标准名称

实施日期

实施状态

采标标准编号

YY/T 0127.1-1993

口腔材料生物试验方法 溶血试验

1993-10-1

现行

ISO 10993一6:1994

YY/T 0127.2-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 急性全身毒性试验:静脉途径

2010-12-1

现行

/

YY/T 0127.3-2014

口腔医疗器械生物学评价 第3部分:根管内应用试验

2015-7-1

现行

ISO 7405:2008

YY/T 0127.4-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元: 试验方法 骨埋植试验

2015-7-1

现行

/

YY/T 0127.5-2014

口腔医疗器械生物学评价 第5部分:吸入毒性试验

2011-6-1

现行

/

YY/T 0127.6-1999

口腔材料生物学评价 第2单元:口腔材料生物试验方法 显性致死试验

1999-10-1

现行

/

YY/T 0127.7-2017

口腔医疗器械生物学评价第7部分:牙髓牙本质应用试验

2018-4-1

现行

ISO 7405:2008

YY/T 0127.8-2001

口腔材料生物学评价 第2单元:口腔材料生物试验方法 皮下植入试验

2001-8-1

现行

/

YY/T 0127.9-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 细胞毒性试

2011-6-1

现行

/

YY/T 0127.10-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 鼠伤寒沙门

2010-12-1

现行

/

YY/T 0127.11-2014

口腔医疗器械生物学评价 第11部分:盖髓试验

2015-7-1

现行

ISO 7405:2008

YY/T 0127.12-2008

牙科学 口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 微核试验

2009-6-1

现行

/

YY/T 0127.13-2018

口腔医疗器械生物学评价 第13部分:口腔黏膜刺激试验

2019-5-1

即将实施

/

YY/T 0127.14-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 急性经口全身毒性试验

2010-12-1

现行

/

YY/T 0127.15-2018

口腔医疗器械生物学评价 第15部分:亚急性和亚慢性全身毒性试验:经口途径

2019-5-1

即将实施

/

YY/T 0127.16-2009

口腔医疗器械生物学评价 第2单元:试验方法 哺乳动物细胞体外染色体畸变试验

2011-6-1

现行

/

YY/T 0127.17-2014

口腔医疗器械生物学评价 第17部分:小鼠淋巴瘤细胞(TK)基因突变试验

2015-7-1

现行

/

YY/T 0127.18-2016

口腔医疗器械生物学评价 第18部分:牙本质屏障细胞毒性试验

2017-1-1

现行

/


9.3. 其他生物相容性试验标准

版本

标准名称

实施日期

实施状态

采标标准编号

YY/T 1512-2017

医疗器械生物学评价风险管理过程中生物学评价的实施指

2018-7-1

现行

ISO/TR 15499:2016

YY/T 0268-2008

牙科学 口腔医疗器械生物学评价 第1单元:评价与试验

2009-6-1

现行

/

YY 0290.5-2008

眼科光学 人工晶状体 第5部分:生物相容性

2010-6-1

现行

ISO 11975-5:2006

YY 0719.7-2011

眼科光学 接触镜护理产品 第7部分:生物学评价试验方法

2013-6-1

现行

/

YY/T 1302.1-2015

环氧乙烷灭菌的物理和微生物性能要求 第1部分:物理要求

2016-1-1

现行

/

YY/T 1302.2-2015

环氧乙烷灭菌的物理和微生物性能要求 第2部分:微生物要求

2016-1-1

现行

/

GB/T 14233.1-2008

医用输液、输血、注射器具检验方法 第1部分:化学分析方法

2009-10-1

现行

/

GB/T 14233.2-2005

医用输液、输血、注射器具检验方法 第2部分:生物学试验方法

2006-5-1

现行

/

YY/T 1295-2015

医疗器械生物学评价 纳米材料:细菌内毒素试验

2016-1-1

现行

ISO 29701:2010

YY/T 1532-2017

医疗器械生物学评价纳米材料溶血试验

2018-4-1

现行

/

YY/T 1535-2017

人类体外辅助生殖技术用医疗器械生物学评价人精子存活

2018-4-1

现行

/

GB/T 16175-2008

医用有机硅材料生物学评价试验方法

2008-9-1

现行

/

YY/T 0993-2015

医疗器械生物学评价 纳米材料:体外细胞毒性试验(MTT试验和LDH试验

2016-01-01

现行

/


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