干货 | 医疗器械的生物学评价与测试过程

新的注册法规在体系和要求上变得越来越严，以前80多家机构可以做审核和注册，经过上一轮的筛选过后就变成了50多家。新的法规出台后会进一步筛掉一些公告机构，因此医疗器械的注册和上市会越来越严。

今天的话题仅仅是围绕医疗器械的评价与测试这个过程，首先简单介绍什么是生物材料的测试；第二个要讲一下如何进行生物学评价的过程，这里主要介绍通过测试来进行医疗生物学评价；第三我讲一下ISO10993生物学相容性测试。 

关于医疗器械测试，这里简单地分为两大类：体外测试及体内测试。首先来看体外测试，举几个例子：包括细胞毒性，溶血，遗传毒性……

什么叫做体外毒性测试呢？就是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，以后可能会立法。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。因此需要做体内测试，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。 

进一步介绍生物材料测试。哪些材料和成分与人体相容性相关，即与人体是否相容。以前更多讲的是被动相容性，即对人和动物不产生危害。现在有个新的概念，是主动的生物相容性。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，目前新的医疗器械的研发对材料提出了新的要求，比如还能促进骨组织愈合，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。 

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。 

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。间接接触就包括输液器，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。 

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。 

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。

所有测试方法一致的前提下，浸提比例会影响测试结果。针对产品的浸提比例，可选择厚度小于0.5mm时，选择6cm²/ml，大多数选择0.5mm厚度以上，用3cm²/ml。弹性体孔隙结构比较高时，选择1.25，不规则体选择0.2g/ml。吸水性物体密度很低，选择0.1g/ml。还有温度和时间的选择，细胞毒性的测试比较特异，应选择37度，72小时。还有50度，72小时。70度，24小时。121度，1小时。

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度，因为美国FDA不认为37度为严苛条件。而动物材料，如含有胶原蛋白者，可以选择37度。

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。举个实际惨痛案例。一款带药支架，准备做CE Mark测试，未选择完整器械。认为药物是安全的，有相应说明，只选择不带药器械做测试。通过公告机构的评审，在欧洲注册成功。2年以后拓展后做美国FDA测试，因未拿完整材料，需重新做测试，花费100万。建议一定选择上市的完整样品送检。同时考虑市场策略，资金较紧张时，国内检测所的要求和费用比较低。但产品需要进入国际市场，则一定要选一个严格的第三方，做一套完整的测试报告，否则费时费钱。另外，在切片的问题上，也有企业惨痛经验。因在产品制造过程中，管腔横切暴露未做涂层的部分，也会影响测试结果。

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。

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。

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。