详谈医疗器械生物相容性研究

什么是医疗器械？根据美国《联邦食品、药品和化妆品法》（FD&CAct）第201(h)条，医疗器械被定义为：用于诊断疾病或其他状况，或用于治疗、缓解、治愈或预防人或动物疾病的仪器、装置、器具、机器、用具、植入物、体外试剂，或其他类似或相关物品（包括其组件、部件或附件），并且满足以下条件：1）被《美国国家处方集》（National Formulary）、《美国药典》（USP）或其增补本所收录；2）预期用途是用于诊断、治疗、缓解、治愈或预防人或动物的疾病；3）预期用途是影响人或动物身体结构或功能。但其主要作用不是通过体内或体表的化学作用实现，也不依赖于在体内代谢来发挥作用。

医疗器械与药品的区别：1）药品通常通过化学作用或在体内代谢来发挥疗效；2）传统医疗器械则不应在体内降解。然而，随着组合产品（如含药器械、可吸收材料等）的发展，医疗器械的传统定义正在变得模糊，亟需更新。

与药品类似，医疗器械也受到美国FDA及其他监管机构的上市前和上市后监管。

医疗器械能显著改善患者生活质量，例如：尿道导尿困难，可以使用泌尿导管；心律不齐，则可以植入心脏起搏器；无法进食的老年或重症患者，可以使用经皮内镜胃造瘘（PEG）喂养管。

医疗器械几乎涵盖人体所有器官系统，例如：血管/泌尿导管、脑部植入物（用于癫痫、帕金森病）、隐形眼镜、避孕套等避孕器具、牙科器械（假牙、牙科粘接剂、填充树脂）、糖尿病试纸、血液透析膜、助听器与人工耳蜗、神经血管弹簧圈、骨科植入物（髋关节、膝关节置换）。

FDA根据临床用途和所需控制措施，将医疗器械分为三类，风险依次升高：1）I类（低风险）：如牙线、创可贴；2）II类（中等风险）：如泌尿引流导管、静脉输液导管；3）III类（高风险）：如心脏支架、髋关节植入物、神经血管弹簧圈。

近年来，器械+药物/生物制品的组合产品（Combination Products）迅速发展，例如，骨科植入物表面涂覆含胶原基质的生物活性物质（如抗生素、生长因子等），以防止感染、促进植入体与宿主组织整合。心血管支架（药物洗脱支架）表面涂有含药聚合物（如紫杉醇、依维莫司/西罗莫司），为了抑制细胞增殖，防止支架植入部位形成瘢痕组织。

何时需要对医疗器械进行测试如生物相容性评估呢？在以下情况下，需对医疗器械进行生物相容性测试或重新评估：开发全新器械；制造工艺发生变更；引入新材料；材料供应商更换；灭菌方法或周期改变；器械中使用了未知或外来化学物质；器械形状或几何结构改变；现有器械新增临床用途；生物相容性标准更新，或欧盟技术文件/设计档案修订；有效期或储存/运输条件变更；上市后监测发现不良事件；内包装材料变更；生产过程中出现异常。

医疗器械生物学效应的评估

在全球化背景下，医疗器械常在一国制造、多国销售，原材料也来自世界各地。为确保对医疗器械毒性与生物相容性评价的一致性，必须采用标准化的测试程序和明确的合格/不合格判定标准。

国际通行的核心标准是ISO10993系列标准《医疗器械生物学评价》（共23部分），如下表所示：

此外，还有其他重要资源：

1）ISO10993-1:2009/(R)2013《医疗器械生物学评价第1部分：在风险管理过程中的评价与测试》。获取途径：http://webstore.ansi.org/

2）ASTM医疗器械测试方法：http://www.astm.org/Standards/medical-device-andimplant-standards.html

3）美国药典（USP）《医疗器械的生物相容性》章节：http://www.usp.org/usp-nf

4）FDA指南（2020年9月4日发布）《采用国际标准ISO10993-1：医疗器械生物学评价——第1部分》，取代2016年旧版，适用于PMA、HDE、IDE、510(k)及DeNovo申请。链接：https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidancedocuments/use-international-standard-iso-10993-1-biological-evaluation-medical-devices-part-1-evaluation

5）日本医疗器械生物安全性法规（2012）。来自PMDA官网：http://www.pmda.go.jp/english/

重点更新：新版FDA指南强调基于风险的方法判断是否需要生物相容性测试，并新增对纳米材料、原位聚合材料、可吸收材料等新型器械的测试建议。

监管审批要求

美国（FDA）：所有医疗器械上市前需获得FDA批准，主要路径包括：PMA（上市前批准），适用于高风险III类器械；510(k)（上市前通知），证明与已上市器械“实质等同”；IDE（研究器械豁免），用于临床试验；HDE（人道用途器械豁免），用于罕见病治疗。生物相容性测试必须在GLP（良好实验室规范）条件下进行。

欧盟：由公告机构（Notified Bodies）审核；接受符合ISO/IEC17025标准的实验室出具的测试报告。

注意：即使是一次性防护用品（如口罩、手套），只要接触人体，也需评估生物相容性。

生物相容性测试的核心原则

与药品不同，医疗器械通常不被代谢或降解（可吸收材料除外），因此其潜在毒性主要来自材料中可浸出物（leachables）。

评估方法主要有两种：1）直接法：将器械直接植入动物体内或接触细胞（体外/体内）；2）提取法：用溶剂提取器械成分，再将提取液用于细胞或动物实验。

由于器械形态多样，需统一提取参数以确保全球一致性。

1.提取比例

优先按表面积/体积比计算；若无法测量表面积，可用重量代替；提取样品必须代表实际接触人体的部分。

2.提取溶剂

给药方式：

极性提取液→静脉注射（IV）

非极性提取液→腹腔（IP）或皮下（SC）注射

体外实验可使用任一极性溶剂，DMSO归为非极性类。

3.提取温度与时长

常用条件包括：37℃×72小时（模拟体温）、50℃×72小时、70℃×24小时、121℃×1小时（模拟灭菌条件）。

所用溶剂与玻璃器皿应适当灭菌；提取条件需根据材料特性科学论证，建议提前与监管机构沟通。

器械的灭菌与测试状态

生物相容性测试所用样品必须与市售产品完全一致：包括包装、灭菌方式与周期。即使某些器械（如结肠植入物）市售为“非无菌”，测试前仍需适当灭菌，以防微生物污染干扰结果。

常见灭菌方式：1）主流方法：环氧乙烷（EO）、γ射线、电子束（E-beam）、干热、蒸汽；2）特殊材料（含动物组织/生物制品）：过氧化氢、戊二醛、二氧化氯等化学灭菌。

环氧乙烷（EO）残留问题：EO是一种烷化剂，具有遗传毒性、刺激性、生殖毒性。必须验证灭菌后EO残留量符合标准（参见标准表格，如ISO10993-7或FDA限值）。测试样品必须使用与市售产品相同的灭菌工艺。

生物相容性测试方法

医疗器械的生物相容性评估主要取决于以下几个因素：1）患者接触时长：短期、长期或永久接触；2）组织接触类型：如皮肤、粘膜、血液、骨骼等；3）器械材料的化学性质：不同材料可能引发不同的生物学反应；4）材料及其可浸出成分的潜在毒性：评估材料中可能释放的有害物质；5）已有材料数据的可用性：包括先前的研究结果和临床使用情况。

常用的生物相容性测试系统如下表所示，可用于制定测试策略。具体所需进行的测试类型和性质可能会根据目标市场所在国家监管机构的具体要求而有所不同。

如果医疗器械包含植入物和输送导管，建议分别对这些组件进行单独测试。这是因为它们具有不同的化学组成，分开测试可以避免因混合提取液而导致化学组成的稀释，从而影响测试结果的准确性。

细胞毒性测试

细胞毒性测试是生物相容性评价的第一步，应在开展动物体内详细试验前完成。

根据ISO10993-2的建议，为减少不必要的动物使用，应优先采用体外方法评估医疗器械材料。

该测试操作简便，通常2–3天内即可获得结果。常用细胞系包括：L929、3T3或V79。

具体测试方法详见ISO10993-5（参见下表）。

为何要进行细胞毒性测试？

历史教训表明忽视生物相容性（尤其是体外细胞毒性）可能带来严重后果。例如，1980年代初，一批接受心脏手术的男性患者术后出现尿道狭窄（尿道周围瘢痕组织形成，阻塞排尿）。调查发现，这些患者均使用了乳胶材质的泌尿导管。后续研究证实，乳胶对尿路上皮细胞具有细胞毒性。

如何选择适合器械的细胞毒性测试方法？

选择取决于器械的临床用途和接触方式：

若器械由多个组件构成（如植入物+输送导管），应分别测试各组件，因其材料不同，混合提取可能稀释毒性信号。

常用细胞毒性测试方法详解

1.MEM洗脱法（MEM Elution Assay）

提取溶剂：含血清的组织培养基（MEM）

温度/时间：37°C±1°C，24±2小时

注：更长时间或更高温度可能破坏培养基成分。

也可先用生理盐水或DMSO提取，再稀释入含血清培养基中使用。

测试流程：将提取液加入细胞培养板，37°C、CO₂孵育48小时；

阴性对照：高密度聚乙烯（HDPE）；

阳性对照：氯化镉、有机锡稳定PVC（PVC-Sn）；

每组建议设3个重复。

结果判定：在24h和48h观察细胞形态；若≥70%细胞变圆（非正常梭形）或裂解→判定为“不合格”（Fail）。

2.直接接触法（Direct Contact Assay）

操作方式：将1cm×1cm器械样品直接置于近汇合的细胞单层上；或将10mm滤纸片浸透提取液后置于细胞上。

对照设置：阴性，HDPE（1×1cm）；阳性，乳胶橡胶（1×1cm）或含0.45%苯酚水溶液的滤纸片。

染色与观察：24小时后移除样品，用0.01%中性红或台盼蓝染色1小时；肉眼观察细胞毒性抑制区范围。

判定标准：若抑制区超出样品边缘≥1.0cm→判定为“不合格”。

3.琼脂扩散法（Agar Diffusion Assay）

操作步骤：在L929细胞单层上覆盖1%熔融琼脂；将测试样品条置于琼脂表面；有毒物质会通过琼脂扩散至底层细胞。

培养条件：37°C、CO₂孵育24小时；

结果判定：参照MEM洗脱法标准（基于细胞形态和抑制区）。

4.中性红摄取法（NRU Assay）

原理：活细胞可摄取中性红染料，染料量反映细胞活力。

操作流程：Balb/c3T3细胞在96孔板中暴露于系列稀释的提取液中24小时；PBS洗涤后，加入中性红染色3小时；用乙醇/乙酸混合液裂解细胞，540nm测吸光度。

结果表达：以IC50（抑制50%染料摄取的浓度）表示毒性。

推荐阳性对照：二丁基二硫代氨基甲酸锌（ZDBC）、二乙基二硫代氨基甲酸锌（ZDEC）。

局限性：对某些材料（如纳米碳颗粒）可能产生假阳性/假阴性，因其会与中性红发生非特异性相互作用。

5.CFU（菌落形成单位）细胞毒性试验

操作方法：将处于对数生长期的细胞接种于6孔培养板中；每孔仅接种约50个细胞（避免高密度导致菌落重叠，难以计数）；加入不同浓度的器械提取液、阴性对照及阳性对照（如ZDBC、ZDEC）。

培养与检测：培养6–9天；用甲醇固定细胞，再用Giemsa染色观察菌落。

结果判定：若最高浓度测试组的贴壁效率（plating efficiency）低于阴性对照组的70%，则认为该器械具有潜在细胞毒性。

6.MTT细胞毒性试验

原理：活细胞线粒体可将黄色的MTT（四唑盐）还原为不溶于水的紫色甲臜（formazan）；甲臜生成量与代谢活跃的活细胞数量成正比，用于间接评估细胞存活率。

操作流程：L929细胞接种于96孔板，加入器械提取液，在37°C、含湿CO₂培养箱中孵育24小时；阳性对照可选用ZDBC或TritonX-100；移除提取液后，加入MTT染色2小时；用乙醇固定细胞，在570nm波长下测定吸光度；通过比较处理组与未处理组的吸光值，定量评估细胞毒性。

优点是快速、可定量；缺点则体现在仅反映代谢活性，不完全等同于细胞存活。例如，已知细胞毒药物多柔比星在淋巴细胞实验中反而显示MTT活性升高，说明该方法可能存在假阴性风险。

举几个医疗器械细胞毒性的实际案例。正畸用弹性材料因含乳胶成分，在L929细胞的NRU试验中显示细胞毒性。丙烯酸树脂义齿材料会释放甲醛和甲基丙烯酸甲酯单体，具有细胞毒性。建议临床使用前用热水预冲洗，促使有毒物质提前析出，从而降低患者不良反应风险。

刺激性（Irritation）

1.定义与成因

刺激性是一种非特异性炎症反应，可由以下因素引起：1）物理因素：医疗器械与患者皮肤或体内组织在植入部位发生摩擦或反复接触；2）化学因素：器械本身含有的化学物质（如镍、银、锌、香料）；个人护理产品中的成分；制造过程中残留的化学物质（如酸、碱、胶黏剂、脱脂溶剂等）。

2.临床表现

症状包括皮疹、红斑、疼痛、水肿。可在接触后几分钟内出现，也可能在24–48小时后逐渐显现。

3.常用刺激性检测方法

（1）皮内反应试验（Intracutaneous Reactivity Test）

适用对象：所有接触组织、骨骼或血液的植入类器械。

方法：使用极性和非极性溶剂提取器械样品；将提取液（0.2mL/点）注射到兔子背部中线一侧5个位点，另一侧注射溶剂对照；每组至少3只动物；在24±2h、48±2h、72±2h观察反应；

评分标准：0（无反应）至4（严重红斑或水肿>1mm且超出接触区域）；

每只动物的总分除以15（3个评分时间点×5个注射部位）。将对照组或处理组各动物的得分相加，再除以重复样本数（通常为3），得到平均刺激评分。用试验组的平均评分减去溶剂对照组的平均评分。若最终得分≤1，则判定该试验通过（无刺激性）。

（2）原发性皮肤刺激试验（Primary Skin Irritation）

适用对象：接触皮肤的表面器械（如敷料、电极、超声/MRI探头）；

方法：将0.5g/mL样品直接贴敷于剃毛兔背皮肤，用非封闭性敷料固定4小时；去除后标记位置，在24、48、72小时评分（同上）。

需定期验证模型敏感性（每3–6个月用十二烷基硫酸钠SLS验证）。

（3）特殊部位刺激试验（Special Irritation Assays）

适用部位：眼、口腔黏膜、阴道、阴茎、膀胱、直肠等黏膜组织；

典型器械：避孕器具、冲洗液、隐形眼镜、直肠植入物、灌肠套件等；

方法（以阴道/膀胱/直肠为例）：至少3只测试兔+3只对照兔；每日给予1mL提取液或对照溶剂，连续≥5天；末次给药24小时后安乐死，进行肉眼观察（红斑、水肿、上皮损伤）和组织病理学检查（上皮变性、化生、白细胞浸润、水肿）；

详细流程参见ISO10993-10。

（4）体外皮肤刺激模型（In Vitro Models）

目的：减少动物实验，符合3R原则；

常用模型：商业化3D人皮肤细胞培养（如EpiDerm）；

原理：刺激物穿透屏障→引起细胞毒性或激活角质形成细胞释放炎症因子（如IL-1α）；

操作流程（EpiDerm为例）：固体样品直接或研磨后作用15分钟；洗涤后恢复培养40小时；用MTT法测细胞毒性，可加测IL-1α提高灵敏度；

局限性：目前未验证用于传统极性/非极性溶剂提取的医疗器械。

4.刺激性案例与注意事项

pH影响：若提取液pH≤2或≥11.5，不应进行动物刺激试验（避免不必要痛苦），依据ISO10993-10(2010)；

溶剂背景干扰：如非极性溶剂CSO本身有轻微刺激性，需每批预筛；

残留溶剂问题：如壳聚糖伤口敷料——醋酸法制备比乳酸法刺激性更强；原因可能是醋酸残留更难降解，而乳酸生物相容性更好。

5.致敏性（Sensitization）

即过敏性接触性皮炎（Allergic Contact Dermatitis），属于IV型超敏反应.，通常需多次接触才会发生，单次暴露一般不引发。

适用范围：所有植入类接触组织、骨或血液的医疗器械均需评估致敏性。

主要检测方法

（1）豚鼠最大化试验（Guinea Pig Maximization Test, GPMT）

开发者Magnusson&Kligman，周期约1个月，分两阶段：

诱导I：将样品提取液+弗氏完全佐剂（含灭活结核杆菌+矿物油）皮内注射（10只豚鼠，雌雄各半）；

诱导II（1周后）：先用SLS处理皮肤，再局部涂抹提取液；

激发（2周后）：用含提取液的滤纸贴敷躯干，封闭48小时；

观察：去除敷料后24h、48h评分：

0：无反应；1：散在红斑；2：中度融合红斑；3：重度红斑或水肿；

阳性对照：需定期（≤3个月）使用DNCB、己基肉桂醛、甲醛等；

判定：测试组≥1分，对照组<1分→判定为致敏物。

（2）Buehler试验

开发者：Edwin Buehler（原用于化妆品）；

适用对象：非植入类表面接触器械；

特点：无需皮内注射；无需佐剂；仅通过多次局部贴敷完成诱导与激发。

6.致敏性案例

常见致敏金属（豚鼠实验中致敏强度排序）：重铬酸钾>硫酸镍>氯化锆；

金属合金安全性：钴、铬、钛等合金通常安全，除非释放游离金属离子；

性别差异：实验显示女性对镍更敏感→建议雌雄动物均需测试；

临床常见致敏产品：伤口敷料、药膏、乳液等外用制剂。

全身毒性（Systemic Toxicity）

全身毒性评估用于判断医疗器械材料在体内释放的化学物质是否对整体生理功能产生有害影响。根据接触时间与临床用途，通常分为三类试验：

一、急性全身毒性（Acute Systemic Toxicity）

适用范围：所有植入类医疗器械的初步体内安全性筛选。

动物：小鼠（首选）或大鼠；

数量：每组至少5只（雌雄各半，除非器械仅用于特定性别）；

给药方式：极性提取物→静脉注射（IV）；非极性提取物→腹腔注射（IP）；

对照组：仅给予相应溶剂；

观察指标：体重变化；皮肤/毛发、眼睛、黏膜异常；呼吸异常；

严重症状：虚脱、抽搐、死亡；

观察时间点：注射后即刻、24h、48h、72h。

若出现以下任一情况，判定为“有毒”（试验失败）：≥2只动物死亡或出现明显临床毒性症状；≥2只动物体重下降≥10%。

可重复试验：若1只动物死亡/出现严重毒性，另1只出现异常症状，可扩大样本至10只试验+10只对照重试。

可选补充检测：根据毒性表现，增加血液学或组织病理学分析。

举个例子，比如隐形眼镜中的甲基丙烯酸单体（约6ppm）。小鼠腹腔注射芝麻油溶解的甲基丙烯酸（0.6–600ppm）；在2–72h内未观察到任何异常症状，表明无急性全身毒性。

二、亚急性毒性（Subacute Toxicity）

1.试验设计

持续时间：连续14天每日给药（IP或IV）；或直接植入器械，观察最长28天；

目的：评估短期重复暴露下的系统性影响。

2.示例

生物可吸收聚合物（如聚酯酸-蓖麻油酸酐，RA）用于缓释给药：大鼠分别经皮下（SC）、肌内（IM）、颅内（IC）植入；

结果：无全身毒性或聚合物相关病变；SC/IM部位出现典型异物反应，随后组织修复；IC组在14–21天有轻度、短暂的胶质细胞炎症；

结论：该材料生物相容、无毒。

三、慢性毒性（Chronic Toxicity）

1.适用对象

所有长期植入器械（接触组织、骨或血液），尤其当材料含潜在毒性成分时。

2.试验要求（啮齿类）

若器械含药物或有毒化学物，所选剂量应确保足够的人体安全边际。

3.观察指标

每日/每周体重；临床症状；血液学（WBC、RBC、血小板、MCV、HCT、凝血酶原时间等）；血清生化（ALT、葡萄糖、尿素、胆红素、甘油三酯等）；主要器官（肝、肾、心、脾、肾上腺、胸腺、睾丸、脑等）组织病理学检查；植入部位组织也需取样做病理分析，可避免单独开展植入试验，节省成本。

4.示例

骨诱导生物活性材料（BBIM，胶原支架）用于治疗骨缺损：大鼠脊柱两侧皮下植入0.5cm³BBIM块，持续6个月；对照组假手术；

结果：各器官湿重与组织学无显著差异；血液学与生化指标正常；

结论：BBIM无全身毒性，安全可用于人体。

四、材料介导的热原反应（Material-Mediated Pyrogenicity）

1.热原定义

热原：进入血液循环后引起发热的物质。

2.热原类型与检测方法

非内毒素热原的致病机制常涉及IL-6和TNF-α等炎症因子释放。

3.材料介导热原示例

2,4-二硝基苯酚（20mg/kg）：在雄兔中诱发发热反应；

干扰素（102–106μg）或其诱导剂PolyI:C（0.012–12mg）：呈剂量依赖性发热。

这些物质并非微生物污染所致，而是材料本身或其降解产物具有热原性，故称“材料介导的热原”。

遗传毒性

1.测试前风险评估

在启动遗传毒性试验前，应先进行全面的风险评估，包括：文献综述（材料是否已知具有遗传毒性）；器械材料的化学表征；降解产物/代谢物的识别；同类已上市器械（predicate device）的安全数据；暴露途径（局部or全身）；目标患者人群（如儿童、孕妇等敏感群体）。

若现有数据不足以排除遗传毒性风险，则需开展正式测试。

2.推荐测试策略（依据ISO10993-3:2014）

采用分阶段测试方案：

样品制备须遵循ISO10993-12。仅测试与患者接触的部分。

3.示例

丙烯酰胺（用于某些聚合物制造）：Ames试验中，在TA98和TA100菌株中呈阳性；体内微核试验仅在接近LD50的高剂量下引起小鼠嗜多染红细胞微核率显著升高，低剂量无效应。提示，高剂量下的遗传毒性可能不具临床相关性。

致癌性

1.测试前提

仅在满足以下条件时才考虑致癌性试验：器械含有已知或可疑致癌物；该物质具有生物可利用性（可释放并被吸收）；已通过遗传毒性试验或其他数据确认存在潜在致癌风险。

注意：多数致癌物是致突变物，但并非所有致突变物都会致癌。

2.替代与优化方法

体外细胞转化试验（如Balb/c3T3或叙利亚仓鼠卵巢细胞）可作为高效初筛工具。传统2年啮齿类致癌试验耗时长、成本高。推荐使用转基因小鼠模型（如rasH2、p53+/-），可在约6个月内评估致癌潜力，更精准揭示致癌相关基因通路。

建议：在开展致癌性研究前，提前与监管机构沟通，确保试验设计科学合理。

3.示例

钒（存在于植入式电池等器械中）：在DMBA（强致癌物）诱导的大鼠乳腺癌模型中，补充钒可显著减少肿瘤发生率；机制可能与其抑制DNA单链断裂和染色体畸变有关；

提示：某些金属元素可能具有化学预防作用，而非致癌。

生殖/发育毒性

1.触发条件

当器械满足以下任一情况时，需评估生殖/发育毒性：含有可能影响生殖系统或胚胎/胎儿发育的化学、物理或生物因子；直接接触生殖器官（如子宫、睾丸、卵巢）；其可浸出物可能迁移至生殖系统。

2.推荐测试指南（OECD）

3.示例：邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯（DEHP）

用途：作为增塑剂用于输液管、喂食管等软质PVC医疗器械；

风险：可能从器械中浸出进入患者体内；

动物研究发现：主要靶器官为睾丸；幼年大鼠（4周龄）比成年鼠（15周龄）更敏感；表现为生精小管萎缩、精囊和前列腺重量下降；新生大鼠（3–21日龄）静脉或口服DEHP（300–600mg/kg/天）：高剂量组出现睾丸重量下降、生精上皮部分耗竭；但至90日龄成年后，生精上皮完全恢复，精子数量、形态、活力均正常；表明存在有效的修复机制。

人类相关性：尽管高剂量DEHP在啮齿类中显示睾丸毒性，目前尚无确凿证据表明其在人类中引起类似不良反应。

血液相容性

适用范围：所有直接或间接接触血液的医疗器械均需评估其血液相容性。

此外，在以下情况下也应重新评估：制造工艺变更；灭菌方式改变；器械几何结构或化学成分调整。

不同器械类型对应的血液学相关研究列表如下：

1.溶血试验（Hemolysis）

标准方法：ASTMF756或ISO10993-4；

样本：新鲜兔血，稀释至血红蛋白浓度约10mg/mL；

接触方式：1）直接法：器械样品与血液直接接触；2）间接法：使用器械浸提液；

条件：室温振荡孵育3小时；

对照：阴性对照高密度聚乙烯（HDPE）；阳性对照水、塑溶胶、BUNA橡胶、GenapolX-080；

检测：离心后取上清，加Drabkin试剂，540nm测吸光度，通过标准曲线计算游离血红蛋白量；

结果判定：溶血指数≤5→通过（非溶血）；>5→失败（具有溶血性）。

示例

含铜器械可能引起兔血溶血（30mMCu²⁺可致溶血）；但加入人血清蛋白（白蛋白或铜蓝蛋白）可显著延缓溶血发生并降低速率；

提示：体外兔血模型可能高估人体风险，因人体内铜离子会被有效结合并转运至肝脏。

2.补体激活（Complement Activation）

原理：补体系统是先天免疫的重要组成部分，可通过经典或旁路途径激活，产生C3a、sC5b-9等片段。

方法：器械材料与正常人血清37℃孵育60分钟；用ELISA法（HRP标记抗体，450nm检测）测定C3a/sC5b-9；

对照：阴性为未接触材料的新鲜人血浆；阳性为眼镜蛇毒因子；

结果以阳性对照百分比表示（单位：μg/mL）；

详细方法参见ASTMF2382-04。

示例

醋酸纤维素透析膜：15分钟内C3a升至3500–4000ng/mL，4小时后回落至基线（1500ng/mL）；

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜：无明显补体激活。

3.凝血（Coagulation）

原理：凝血级联反应在血管损伤后启动，最终形成血栓。常用部分凝血活酶时间（PTT）评估内源性凝血通路。

方法：器械浸提液与人血浆37℃孵育15分钟；加入氯化钙+兔脑磷脂（提供磷脂表面）；用凝血分析仪记录凝血时间；结果以阴性对照的百分比表示（人血浆通常约300秒凝固）；

对照：阴性/参照HDPE；阳性黑橡胶。

示例

二羟基丙酮（DHA）衍生物：PTT测试显示不影响凝血级联；但在大鼠肝部分切除模型中，局部应用可显著减少出血量；表明其为有效局部止血剂，且不干扰全身凝血功能。

4.血液学与血小板激活（Hematology&Platelet Activation）

评估内容：红细胞、淋巴细胞、单核细胞、血小板数量变化（电子计数器）；血小板活化标志物（如P-选择素表达）；血小板脱颗粒、中性粒细胞黏附等。

示例

加拿大某医院：使用电子束灭菌透析器的患者出现显著血小板减少症；改用非e-beam灭菌膜后，血小板恢复正常；提示灭菌方式可能影响材料血液相容性。

聚砜膜：与血小板共孵育1小时后，P-选择素表达升高；同时观察到中性粒细胞黏附增加，可能与活性氧（ROS）产生有关。

5.血栓形成（Thrombosis）

常用模型：犬股静脉/颈静脉植入（4小时）；分为AVI（抗凝）和NAVI（非抗凝）；左右静脉分别植入测试品与对照品（同体对照）；

终点：取出血管，显微镜下评估血栓形成程度（按ISO10993-4评分）；

局限性：主观性强，可能出现假阳性；可辅以血栓重量测定或血管通畅性分析提高客观性。

其他模型

猪冠状动脉支架模型：植入数周至数月，评估血栓、纤维蛋白沉积、新生内膜增生（组织形态学）；

体外血流回路模型（blood-loop）：用于高通量初筛。

示例

可降解镁合金支架（犬冠状动脉/股动脉）：植入后第7天已完全吸收；第14天仅见轻度内膜增生；无炎症反应、无血栓形成；表明其具有良好血液相容性与生物安全性。

6.植入试验（Implantation）

适用范围：适用于长期或永久植入于组织、骨或血液中的器械。

试验设计

终点评估：安乐死后取出植入物及周围组织；组织病理学检查（HE染色）：炎症细胞浸润（中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞）；新生血管、纤维化、坏死；材料降解情况；纤维囊形成（可能由毒性浸出物引起）。

示例

眼内炎治疗：全身给予环孢素有严重免疫抑制毒性；改用PLGA微球负载环孢素，眼内植入兔眼，实现局部缓释，疗效显著，同时减轻眼部炎症、白细胞浸润和蛋白渗出。体现局部给药高效低毒优势。

化学表征与风险评估

一、背景与重要性

医疗器械由多种材料制成，包括塑料、树脂、胶粘剂、金属、陶瓷、亲水涂层（便于植入）等。其潜在不良反应主要源于可浸出物——即从器械中释放出的有毒化学物质。因此，科学界日益强调对器械材料进行全面化学表征，以识别可浸出物谱并评估患者风险。

ISO10993-1:2013明确建议：在开展大规模体外/体内生物相容性试验前，应优先进行化学表征，以识别潜在毒理学风险。

二、化学表征方法

1.材料成分来源

首选：供应商提供的材料安全数据表（MSDS）或成分声明；若信息不足，则需通过分析手段鉴定可浸出物。

2.常用分析技术

FTIR（傅里叶变换红外光谱）：有机官能团、聚合物鉴别；

GC-MS（气相色谱-质谱联用）：挥发性/半挥发性有机物

LC-MS（液相色谱-质谱联用）：非挥发性、热不稳定有机物（如药物、添加剂）

ICP（电感耦合等离子体）：金属元素（如Cr、Ti、Pt等）

EDS（能谱分析）：材料表面元素组成

所有浸提液制备需符合ISO10993-12要求。

三、毒理学风险评估流程

1.确定可浸出物的释放量

通过定量分析获得最坏情况下的最大浸出浓度。

2.获取毒理学数据

查阅文献获取该化学物质的无可见有害作用水平（NOAEL）等健康终点数据。

3.计算可耐受摄入量（TI）与可耐受暴露量（TE）

公式：TI=NOAEL/MF

MF（修正因子）=多个不确定性因子（UF）的乘积，用于校正：种属差异（动物→人）；给药途径差异（口服vs.静脉/皮下）；数据质量与相关性等。

TE=TI×BW

BW（体重）：成人默认70kg。

4.计算安全边际（Margin of Safety, MoS）

假设：100%的化学物质均浸出并进入全身循环；

判定标准：MoS>1→毒理学风险可忽略；MoS≤1→需进一步评估或优化材料。

四、特殊关注物质类别

1.药物涂层器械

示例：心血管支架涂覆紫杉醇或依维莫司→预防再狭窄；长期留置导管涂覆利福平/咪康唑→抑制白色念珠菌、金黄色葡萄球菌，防止生物膜形成；

注意：尽管载药量远低于临床治疗剂量，仍需评估其：释放动力学；降解产物；局部/全身毒性。

2.金属器械中的金属离子

如骨科植入物、血管支架含Cr、Ti、Pt等；FDA已发布《金属元素每日允许暴露量》（PDE）指南，用于评估金属浸出风险。

3.制造残留溶剂

如四氢呋喃（THF）、二甲基甲酰胺（DMF）；虽在烘干/灭菌过程中大部分挥发，但最终产品（已包装灭菌）中仍需检测残留水平；可参考FDA或ICH提供的各类溶剂PDE值进行风险评估。

4.着色剂（Colorants）

常用于导管等器械，仅用于术中辨识，无生理功能；FDA在21CFR第73/74部分中规定：免认证着色剂（Subpart D of 21CFR73）；需认证着色剂（Subpart D of 21CFR74）；

关键要求：供应商配方中铅、砷、苯胺等有毒杂质含量必须符合FDA纯度标准。

五、数据缺失时的替代策略：毒理学关注阈值（TTC）

当缺乏特定可浸出物的毒理学数据时，可采用TTC（Threshold of Toxicological Concern）概念；TTC为一个通用安全阈值（通常为1.5μg/天），适用于大多数未知有机小分子；若患者日暴露量 ，则认为毒理学风险极低，无需进一步测试；该方法已被ISO10993-17和FDA接受，用于医疗器械风险评估。

用于风险缓解的可用数据来源（FDA推荐）

为识别知识缺口并制定科学的风险缓解计划，应综合以下五类信息：

1.文献综述（Literature Review）

申办方需系统检索公开的毒理学文献和数据库,评估所用材料的已知毒性.若缺乏特定化合物的安全数据，可采用TTC（毒理学关注阈值，通常为1.5μg/天）作为风险评估工具。

2.临床经验（Clinical Experience）

若该器械或高度相似器械已有充分的人体使用数据,可据此判断是否无需额外生物相容性测试，例如长期上市且无不良事件报告的同类产品。

3.动物实验数据（Animal Data）

当标准生物相容性试验（如细胞毒性、遗传毒性）出现阳性或异常结果时,需进一步开展化学表征；剂量-反应关系研究；补充体内试验以明确机制与临床相关性。

4.医疗器械相关标准（Medical Device Standards）

可参考特定器械或材料的行业标准（如ASTM、ISO）；但注意，对于聚合物类器械，仅依赖材料标准不足以全面识别生物相容性风险，仍需结合实际成品评估。

5.FDA已批准的同类器械（Previously Approved Device）

若申报器械与FDA已批准的器械在材料、设计、用途上高度相似，其已有的生物相容性数据可作为支持性证据用于当前产品的风险评估。

申报要求（向FDA提交）：申办方须在提交给CDRH（器械与放射健康中心）或CBER（生物制品评价与研究中心）的资料中：在生物相容性章节开头，提供完整的风险评估方案；清晰总结风险评估结论；明确列出为降低剩余风险而开展的生物相容性测试项目；化学表征；其他补充评价（如TTC分析、临床数据引用等）。

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