1、医疗器械生物学评价,整形美容,日常生活,临床医疗,医疗器械,隆鼻、隆胸等,敷料、导管、注射器、内植物等,创口贴、体温计、接触镜等,医 疗 器 械,应用 安全性,化学 性能,物理 机械 性能,生物学 性能,形态学 性能,电学 性能,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目的,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,医疗器械生物学评价的方式,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、
2、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,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,生物材料引起生物反
3、应的因素,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。,医疗器械生物学评价生物反应,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,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
4、,生物反应的临床表现：炎症 感染 血栓栓塞 肿瘤,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生物反应,试验方法的选择: 1、接触时间 2、使用部位和用途,医疗器械生物学评价,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、
5、中枢神经系统。 C、体内植入医疗器械：骨、组织和血液接触。,试验选择的依据,医疗器械生物学基本评价试验指南GB/T16886.1ISO 10993.1(2003),医疗器械生物学补充评价试验指南,GB/T 16886.1 - 2001 评价与试验 GB/T 16886.2 - 2000 动物保护要求 GB/T 16886.3 - 2008 遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验 GB/T 16886.4 - 2003 与血液相互作用试验选择 GB/T 16886.5 - 2003 细胞毒性试验：体外法 GB/T 16886.6 - 1997 植入后局部反应试验 GB/T 16886.7 - 2001
6、环氧乙烷灭菌残留量 GB/T 16886.9 - 2001 潜在降解产物定性与定量框架 GB/T 16886.10 -2005 刺激与迟发型超敏反应试验,生物学评价参照标准,GB/T 16886.11 1997 全身毒性试验 GB/T 16886.12 2005 样品制备与参照样品 GB/T 16886.13 2001 聚合物医疗器械的降解产物定性与定量 GB/T 16886.14 2003 陶瓷降解产物的定性与定量 GB/T 16886.15 2003 金属与合金降解产物的定性与定量 GB/T 16886.16 2003 降解产物与可沥滤物毒性动力学研究设计 GB/T 16886.17 20
7、05 可沥滤物允许限量的建立,生物学评价参照标准,ISO 10993-18:2005 材料的化学表征 ISO 10993-19:2006 物理化学、形态学和表面特性表征 ISO 10993-20:2006 医疗器械免疫毒性试验原理和方法,生物学评价参照标准,GB/T 16175- 2008 医用有机硅材料生物学评价试验方法GB/T 14233.2-2005医用输液、输血、注射器具检验方法,生物学评价参照标准,牙科材料和器械 ISO 7405: 1997（E） YY/T 0268-2001牙科学用于牙科的医疗器械生物相容性临床前评价 第1单元：评价与试验项目选择YY/T 0127. 111 /
8、YY/T 0244,生物学评价标准,根据产品的用途选择标准； GB/T 16886.1 - 2001 评价与试验；【制定评价程序的框架，不是核对清单】 部分GB/T 16886需要视产品特性选择方案； 口腔器材原则上参照YY系列标准，但有时需要结合使用GB/T 16886系列标准； 5. 关注标准的的时效性。,标准应用中的注意点,生物相容性试验评价流程,医疗器械生物学评价流程图,开始,器械与人体是否直接或间接接触,材料表征,不适合进行生物学评价,材料是否与市场上器械所用材料相同,器械是否有相同特性? 生产 人体接触 灭菌,是否有足够的证明和/或有可提供的试验数据,最终评价,符合GB/T1688
9、6.1-ISO 10993-1标准要求,生物学评价,器械定性 接触性质 接触时间,生物学评价试验 的选择，表1、2,试验和/或原理阐述/证明,否,否,否,否,是,是,是,是,是,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。,生物学评价基本原则,被评价的对象应处于“使用”状态 正确区分“评价”与“试验” 需考虑除原材料以外的诸多因素 评价前需确定器械的作用类型、接触性质
10、、程度、时间和频次等,生物学评价基本原则,参照GB/T 16886.1-2001评价试验指南要求选择试验项目 生物学试验应先 体外 再 体内 先做溶血和细胞毒性 符合GLP专业实验室和专业技术人员 评价结论强调综合分析,生物学评价特点,同类材料，不同用途，其评价内容不一； 材料与人体接触性质、程度、频次和周期等不同，其评价要求不一； 材料本身性质不同，其评价标准不一； 评价试验只是一项预测性的工作； 器械复杂多样性，评价时需考虑总体设计； 评价是建立在综合分析基础上的整体评价。,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
11、；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。,（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；,生物学试验,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
12、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。,鲎试剂是从栖生于海洋的节肢动物“鲎”的蓝色血液中提取变形细胞溶解物，经低温冷冻干燥而成的生物试剂，专用于细菌内毒素检测和真菌（1,3)-D-葡聚糖检测。,鲎试验法是国际上至今为止检测内毒素最好的方法，它简单快速灵敏准确，因而被欧美药典及我国
13、药典定为法定内毒素检查法，并已被世界各国所采用。实验方法可分为：凝胶法、动态浊度法、终点浊度法、动态显色法、终点显色法。 分别需要使用对应的鲎试剂。,凝胶法： 通过鲎试剂与内毒素产生凝集反应的原理来定性检测或半定量内毒素的方法。凝胶法是通过观察有无凝胶形成作为反应的终点。此法操作比较简单，经济，不需要专用测定设备，可以进行定性或半定量测定。,浊度法： 利用检测鲎试剂与内毒素反应过程中的浊度变化而测定内毒素含量的方法。 动态浊度法的特点为：1. 能准确定量。2.检测范围宽，可达4个数量级。3.灵敏度高达0.005EU/ml。4. 操作简便，系统自动检测分析，一步即成。5. 经济实用，试剂样品需要
14、量少，可降至50L。6. 和微生物检测系统Elx808（配套IU）及专用软件TALgent使用，一次可同时检测多达96个样品。,显色基质法： 利用鲎试剂与内毒素反应过程中产生的凝固酶使特定底物显色释放出的呈色团的多少而测定内毒素含量的方法，根据产物颜色判断内毒素浓度，又称为比色法。显色基质法由于不依赖凝固蛋白形成凝胶，抗干扰能力强，特别适用于生物制品（蛋白、疫苗等）和临床样品（黄疸、血液、尿液）的细菌内毒素检测。,终点显色法是目前反应时间最短的鲎试验法，只需要16分钟就能得出结果。而且可以偶氮化染色剂，避开某些有色检品自身颜色对鲎试验的干扰。终点显色法不需要特殊的检测仪器就能准确定量。 动态显
15、色法鲎试剂兼有动态浊度法和终点显色法鲎试剂的优点，抗干扰能力强，使用简单方便，检测范围宽，灵敏度高达0.005EU/ml, 是目前世界上最好的鲎试剂。但是价格较高。,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。,沙门氏菌回复突变试验（亦称Ames试验）已被世界各国广为采用。该法比较快速、简便、敏感、经济，且适用于测试混合物。鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimuriu
16、m）的组氨酸营养缺陷型（his）菌株，在含微量组氨酸的培养基中，除极少数自发回复突变的细胞外，一般只能分裂几次，形成在显微镜下才能见到的微菌落。受诱变剂作用后，大量细胞发生回复突变，自行合成组氨酸，发育成肉眼可见的菌落。某些化学物质需经代谢活化才有致变作用，在测试系统中加入哺乳动物微粒体酶，可弥补体外试验缺乏代谢活化系统之不足。,微核试验是检测染色体或有丝分裂器损伤的一种遗传毒性试验方法。无着丝粒的染色体片段或因纺锤体受损而丢失的整个染色体，在细胞分裂后期仍留在子细胞的胞质内成为微核。,最常用的是啮齿类动物骨髓嗜多染红细胞(PCE)微核试验。以受试物处理啮齿类动物，然后处死，取骨髓，制片、固定
17、、染色，于显微镜下计数PCE中的微核。如果与对照组比较，处理组PCE微核率有统计学意义的增加，并有剂量-反应关系，则可认为该受试物是哺乳动物体细胞的致突变物。人外周淋巴细胞微核试验，可用于接触环境致突变物的人群的监测和遗传毒性评价,微核试验,外周血中小淋巴细胞几乎都处在细胞增殖周期的G1 期或G0期，一般条件下是不会再分裂的。当在培养物中加入适量的PHA（植物血凝素），在37下，经52-72h的培养，淋巴细胞开始转化，进入细胞增殖周期， 此时可获得大量的有丝分裂的细胞。再经过秋水仙素处理，低渗、固定，即可在显微镜下观察到良好的中期染色体分裂相。电离辐射，化学有害物质、遗传毒性物质作用于机体或体
18、外细胞，均可引起细胞染色体的损伤，且与剂量（浓度）呈良好的线性关系。因此，可用于遗传毒性试验。,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。包括：生育力与早期胚胎发育毒性实验（I段）、胚胎胎仔发育毒性试验（II段）、围产期毒性试验（III段）。,生殖毒性试验中，为方便实验一般可将一个完整生命周期过程分成以下几个阶段如下图所示：,A. 从交配前到受孕（成年雄性和雌性生殖功能、
19、配子的发育和成熟、交配行为、受精）。B.从受孕到着床（成年雌性生殖功能、着床前发育、着床）。C. 从着床到硬腭闭合（成年雌性生殖功能、胚胎发育、主要器官形成）。D. 从硬腭闭合到妊娠终止（成年雌性生殖功能、胎仔发育和生长、器官发育和生长）。E. 从出生到离乳（成年雌性生殖功能、幼仔对宫外生活的适应性、离乳前发育和生长）。F. 从离乳到性成熟（离乳后发育和生长、独立生活的适应能力、达到性成熟的情况）。,各实验研究阶段如下：生育力与早期胚胎发育毒性实验（I段）：A-B 胚胎胎仔发育毒性试验（II段）：C-D 围产期毒性试验（III段）：C-F,一般实验设计简介： 1. 受试物应能充分代表需进行生物
20、学评价的上市医疗器械；2. 实验动物首选啮齿类动物为大鼠在胚胎-胎仔发育毒性研究中，一般还需第二种哺乳动物，家兔为优先选用的非啮齿类动物。3. 给药途径应与临床拟用途径一致4. 应设置对照组,（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，体重变化和对照比无明显差异,急性毒性试验方法,可溶于水的物质要做静脉注射途径的急性毒性，
21、口服性的要做灌胃途径。,观察指标,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
22、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。,可以看到发生急性炎症时出现的血管渗出反应和修复过程混杂在一起的反应。并可见有巨噬细胞、淋巴细胞、浆细胞的浸润和成纤维细胞的增生。,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
23、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,阴性对照：生理盐水 阳性对照：蒸馏水,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,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。,血液相互作用试验的选择,（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
24、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。,3、血液相容试验的基本要求,1、溶血试验 2、血浆复钙试验、PT、PTT、TT 3、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,4、常用的血液相容性试验方法,血栓形成试验,血栓形成试验,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。,生物降解和生物稳定性,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
25、; 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。,（1）高分子材料降解的因素,（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371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701，时间为2天和60天。,（2）研究聚合物降解的试验方法,（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
26、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,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,3、陶瓷降解,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。,4、金属材料的降解,免疫原性,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
27、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。,医疗器械产品抗原的来源,1 同种异体脱细胞骨、同种异体脱细胞皮肤等：潜在同种异体抗原； 2 动物来源胶原蛋白、纤维蛋白胶、异种脱细胞骨产品等：潜在异种抗原； 3 乳胶产品：手套、导尿管、避孕套等：潜在异嗜性抗原。植物防御蛋白。 4 金属植入物：人工关节、接骨板、牙科充填材料等：金属离子（半抗原），和机体内蛋白结合形成完全抗原。,抗原举例,1、细胞免疫：T细胞 2、体液免疫：B细胞抗体 3、非特异性免疫：巨嗜细胞 3、补体
28、水平：水平和活化,测定指标,整体水平器官水平细胞水平亚细胞水平分子水平。 研究医疗器械和生物材料对蛋白质、DNA、RNA、及细胞外基质的影响。 分析医疗器械和生物材料生物学反应在分子水平的作用原理。,医疗器械分子生物学评价,1、支持医疗器械产品上市的安全性 2、用于医疗器械风险分析 3、用于临床研究试验方案的制定：对生物学评价中发现的问题，在临床试验时应进一步验证。,生物学评价结果的用途,一、必要性可以将生物学危害降到很低的程度。 二、局限性 1、样品处理的局限性 2、试验方法的局限性 3、动物和人类差异的局限性 4、认识水平和知识水平的局限性,医疗器械生物学评价的必要性和局限性,1、溶血试验
29、：能反映对红细胞膜破坏作用的化学物质。不能反映物理机械因素对红细胞的破坏。 2、致敏试验能反映IV型过敏反应。不能反映其他三种类型的过敏反应。 3、免疫原性试验动物试验和人体的相关性很差。 4、血液相容性试验到目前没有真正的血液相容性材料,局限性举例,举 例,节育器应选择哪些生物学试验？ 细胞毒性 / 致敏 / 阴道黏膜刺激急性全身毒性 / （亚）慢性全身毒性热原试验 / 遗传毒性（3项）肌肉植入（612月） / 致癌性生殖与发育毒性,举 例,降解类骨种植体应选择哪些生物学试验?细胞毒性 / 致敏 / 皮内刺激急性全身毒性 / （亚）慢性全身毒性热原试验 / 遗传毒性（3项）骨植入（612月） / 生物降解 / 致癌性,举 例,血管支架细胞毒性 / 致敏 / 皮内刺激 /急性全身毒性 / (亚)慢性全身毒性 /热原试验 / 遗传毒性（3项）/肌肉植入（612月） / 溶血 / 凝血 /血小板 / 血栓形成 / 白细胞 / 补体,
