可降解心血管植入物的生物学评价思考.pdf

文章编号：1671-7104(2024)02-0208-04可降解心血管植入物的生物学评价思考【作者】许耘，程茂波，赵鹏国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京市，100081【摘要】近年来，新型可降解材料应用于心血管植入物。针对具有不同理化性质和降解特性的心血管植入物，其生物学评价具有特殊的终点。该研究以血管支架和封堵器系列产品为例，综述了可降解心血管植入物生物学评价要点。【关键词】可降解材料；医疗器械；心血管植入物；生物学评价【中图分类号】R318；F203【文献标志码】Adoi:10.12455/j.issn.1671-7104.230341Thoughts on the Biological Evaluation of BiodegradableCardiovascular Implants【Authors 】XUYun,CHENGMaobo,ZHAOPengCenterforMedicalDeviceEvaluation,NMPA,Beijing,100081【Abstract 】Inrecentyears,newdegradablematerialshavebeenappliedtocardiovascularimplants.Cardiovascularimplantswithdifferentphysicochemicalpropertiesanddegradationpropertieshavespecialendpointsfortheir biological evaluation.In this study,the end points of biological evaluation of degradablecardiovascularimplantswerereviewedbytakingvascularstentsandoccludersasexamples.【Key words】degradablematerial,medicaldevice,cardiovascularimplant,biologicalevaluation0引言引言可降解材料在心血管植介入领域有着广阔的应用前景，其中可降解血管支架和封堵器（房/室间隔缺损封堵器）是心血管医用植入可降解器械中的2个热门领域。可降解材料的应用为解决传统晚期血管支架内血栓及长期抗血小板治疗、封堵术后迟发心律失常等问题提供了新思路，使器械在完成血管重建、缺损修复后在体内逐步降解吸收，发挥引导自体组织生长填补缺损的桥梁作用，从而真正实现“介入无植入”。可降解材料和器械是指在预期人体生理环境中使用时可能发生物理、代谢和/或化学降解的材料和器械。因水解或氧化导致化学键断裂以及电化学腐蚀降解，降解产物可能与机体生物系统相互作用，最终被细胞和组织吸收和排泄。材料在体内的降解吸收是一个极其复杂的过程，降解并不意味着吸收，只有当生物材料被降解到适当尺寸时，才能被细胞和组织吸收、排泄1。可降解血管支架及封堵器产品的材料主要包括可降解聚合物（聚乳酸、聚对二氧环己酮等）及合金材料（铁基合金、镁合金等）。目前绝大多数研究集中在材料及加工工艺优化，鲜有文章探讨其生物相容性评价。不同于其他惰性材料心血管植入物，该类产品的材料降解可能产生有毒性的降解产物或过量的降解产物，因此其生物学评价宜考虑降解全过程的生物学风险，分析现有生物学评价内容是否涵盖植入物全降解周期中最恶劣的条件。本研究以可降解血管支架和封堵器为例，从以下几个方面探讨聚合物/合金材料可降解心血管植入物的生物学评价要点及需要注意的相关问题。1现有标准应用情况及局限性现有标准应用情况及局限性用于生物材料和医疗器械生物评价的ISO10993系列标准大部分是为不可降解材料制定的。在这些标准中，ISO10993.9、ISO10993.13、ISO10993.14和ISO10993.15最初是用于体外评价可降解材料的，具有一定的局限性。值得一提的是，随着对可降解材料的关注，ISO/TC194已开始为可吸收植入物和金属植入物制定特定的国际标准。此外，其他组织收稿日期：2023-06-08作者简介：许耘，E-mail:通信作者：赵鹏，E-mail:ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期监 管 与 测 试208（如ASTM）也发布了一些可降解/可吸收材料和医疗器械的规范，例如ASTMF2902可吸收聚合物植入物评估标准指南和ASTMF1983可降解/可吸收生物材料兼容性评估的标准实践2-3。这些标准对于可降解心血管植入物的生物学评价具有一定的指导意义。2可降解心血管植入物的生物学评价概述可降解心血管植入物的生物学评价概述在可降解心血管植入物产品的生物学评价报告中，宜阐述降解过程的危害风险分析，在该部分可明确原材料的降解机理，降解影响因素（包括材料和环境因素），降解产物表征，降解产物在体内的吸收、分布、代谢及排泄和毒理学风险，降解形成颗粒的生物学危害，降解过程血液相容性及局部血管组织损伤风险等。建议明确植入物在降解过程中的代表性时间点，以确保对初始物质、中间产物和最终降解产物都进行评价。基于等效加工、有安全临床应用史的材料和相关文献可以帮助识别预期的降解产物和潜在的毒性1,4-5。例如，在铁基血管支架的生物学评价中，可着重阐述可吸收铁离子的排出机制、铁腐蚀产物鉴别、铁离子暴露浓度及铁过载危害分析等；在聚合物聚乳酸封堵器的生物学评价中，可结合体外降解试验进一步分析体内外降解对应关系，对降解产生乳酸的最大暴露量进行毒理学分析。在上述产品的原位植入动物试验中，进一步关注在完全内皮化之前随时间推移的血液相容性风险及降解颗粒的蓄积和后续危害。例如材料降解引发的编织丝表面微纳结构变化可能导致血栓形成风险，宜通过体外加速降解实验评估材料的降解速度，在此基础上结合内皮化之前的动物试验数据进行分析。3样品的选择样品的选择有别于惰性材料心血管植入物，在对可降解心血管植入物进行生物学试验样品的选择时，除了使用最终形式的医疗器械或有代表性的供试样品，还应考虑如何选择样品才能获取全降解周期内所有体内预期降解产物，选择的试验样品应能使器械已知有潜在生物学反应的组件最大限度地与试验系统接触。当需要对降解过程中的材料进行生物相容性评价时，可以利用确证过的适用技术、采用体外降解的方法制备供试品1。例如，铁基血管支架通常会辅以镀层/涂层来控制铁基腐蚀降解速率，因此在样品选择时还宜考虑对单独铁基体、铁基体+镀层、铁基体+涂层、铁的腐蚀颗粒分别进行相关生物学性能的评估，以期获取产品全降解周期内所有体内预期降解产物。此外，对于含有活性药物成分的心血管植入物，由于药物干扰可能导致假阳性结果，还宜分别对含药物、不含药物产品进行试验。4浸提液试验样品制备注意事项浸提液试验样品制备注意事项当制备器械浸提液时，所用浸提介质和浸提条件既要与最终产品的性质和用途相适应，又要与试验方法的可预见性（如试验目的、原理、敏感性等）相适应。因此理想的浸提条件和试验系统浸提液的应用不仅要反映产品的实际使用条件，还要反映试验的目的和可预测性。对于采用可降解心血管植入物浸提液进行的生物相容性试验，浸提液化学分析测试有助于确认浸提液是否能代表降解过程中的可沥滤物，以及是否需要使用不同的浸提液进行多项生物相容性试验以表示降解过程的不同阶段。浸提介质和条件的选择应基于材料的物理化学性质和/或预期可能会浸提出的低分子量化学物质，总的原则是根据可降解心血管植入物产品的降解特性，采用能够充分对器械浸提物和可沥滤物进行试验的浸提条件。对于可降解心血管植入物，可能需要通过极限浸提研究来获取数据和材料表征信息，以支持使用有代表性的供试品进行试验6-9。在对试验用浸提液进行描述时，宜对供试品降解引起浸提溶剂的变化进行描述并解释变化产生的原因。可降解心血管植入物在降解时可能会引起机体生理环境改变，须证明浸提条件能代表本产品在全降解周期中最恶劣的情况。例如，含有聚乳酸涂层的铁基血管支架，聚乳酸涂层降解时引起pH值变化，局部环境酸碱度的变化可能会加速支架铁基成分的腐蚀降解。因此宜对不同的浸提条件进行验证，通过热力学分析得出合理的浸提铁离子浓度，从而更好地反映体内的实际状态。5降解过程应考虑的生物相容性降解过程应考虑的生物相容性5.1生物降解对于可降解心血管植入物，需评估降解速度及降解过程反应，为机体耐受提供依据，同时为降解产物毒理学评估提供数据支持。由于植入物常含有多种可降解原材料，在不同植入阶段释放的降解产物不同，在进行体内降解评ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期监 管 与 测 试209估之前，建议根据体外降解试验数据对产品涉及的每种可降解原材料的降解性能及降解时间进行理论估算，从而得出在体内降解的降解产物及暴露剂量的预估值。体外降解试验通常有2种，即加速试验和实时试验。加速试验的降解模式可能会因高温而改变，在评价合成的可降解心血管植入物材料时，需要注意玻璃化转变温度及熔点对降解作用的影响。对于可生物降解的金属材料，需要关注高温对植入物的腐蚀化学或腐蚀形态的影响（如点腐蚀、缝隙腐蚀等）。对于可降解聚合物，在参照ISO/TS10993-18推荐方法时，需要注意推荐方法针对可降解吸收材料的适用性，例如充分考虑结晶度、纯度等对可降解吸收材料表征的影响。体外降解研究建议观察指标包括但不限于：产品溶解性、降解周期、降解所需的条件及降解速度与降解条件之间的关系，降解的主要产物及含量、形态改变（崩解过程、是否有碎片掉落、碎片溶胀等）。评估体内降解时，应根据材料的特点，考虑样品制备、动物的种类和数量、植入部位和持续时间、终点的选择和结果评价等因素。应根据产品的降解动力学及上述暴露剂量预估值选择适当的时间点，建议至少包括早期时间点（结构功能完整期，以评估早期组织反应）、中间时间点（建议包括降解达到或超过50%质量损失的时间点）以及晚期时间点（当大多数植入物被吸收时，可评估最小残留量）。对于由不同降解率的多种材料构成的组合植入物，所选择的时间点应考虑所有成分的潜在降解时间点。如能提供合理判定标准，体内降解评估研究也可以提前结束。体内降解研究宜根据该器械在临床使用时患者可能接触到的一次性最大用量，在动物体内植入时进行科学的换算。建议根据初始植入物尺寸、植入物的量、植入物物理机械性能、植入后残留植入物尺寸，结合植入部位局部组织学反应情况包括局部炎症反应、组织长入或修复情况等观察指标对器械的降解程度进行评价10-11。5.2降解产物毒性评价可溶性降解产物会直接进入机体，参与机体代谢活动，宜通过降解产物全身毒性试验进行评价。5.3降解产物对血液系统影响心血管植入物降解产物在血液中与血细胞直接接触，支架/封堵器表面理化状态改变会影响其血液相容性，宜在动物试验中着重观察内皮化之前对血液相容性的影响。5.4降解产物局部组织反应金属心血管植入物降解后可产生固体腐蚀产物，宜通过对固体腐蚀产物进行植入试验，进行组织病理学检查，分析降解颗粒物产生的组织反应。聚乳酸心血管植入物在质量爆释点会产生最多的乳酸单体，宜对质量爆释点的颗粒进行植入试验，观察局部组织反应。5.5降解颗粒对下游血管栓塞风险心血管植入物降解过程可能产生降解颗粒，在动物试验中宜观察下游小血管是否有栓塞，若有栓塞，应对栓塞进行病理分析并判断是否与降解片段（颗粒）有关。5.6降解产生气体的毒性评价可降解金属（例如金属镁）在降解过程可能会产生氢气，宜对氢气的产生进行量化，并考虑其短时间大量释放或积聚对局部细胞活性的影响，以及对局部组织炎症反应的影响。5.7降解产物导致异物反应有些降解产物吸收缓慢，长期存在于组织，可能会启动异物排斥反应及组织炎性反应。可降解血管支架的异物反应还会刺激血管内膜增生，导致支架内再狭窄，宜对植入不同时间点取样，分析颗粒物的组织反应。6可降解心血管植入物生物学试验特殊考可降解心血管植入物生物学试验特殊考量及注意事项量及注意事项可降解心血管植入物的生物学评价终点一般包括细胞毒性、皮肤致敏、刺激或皮内反应、急性全身毒性、重复接触全身毒性、遗传毒性、血液相容性、植入后局部反应与降解研究、材料介导的致热性；适用时考虑以下生物学评价终点：慢性毒性、致癌性、免疫毒性、毒代动力学、生殖/发育毒性或其他器官特异性毒性。必要时根据GB/T16886系列标准进行生物学试验。基于材料的降解性能，在进行生物学评价时会有一些特殊考量，进行常规生物学试验时考虑相关注意事项。6.1体外测试系统pH值和渗透压对于快速降解的材料，降解产物浓度的升高可能导致体外测试系统pH值和渗透压改变，由于缺乏体内缓冲系统及灌注流速的影响，体外测试的结果不一定反映了体内的实际情况。在这种情况下，使用动物模型进行评价有显著优势，可评价预期降解产物所致pH值和渗透压变化在体内的实际ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期监 管 与 测 试210风险。6.2体外细菌回复突变试验体外细菌回复突变试验通常使用二甲基亚砜（dimethylsulfoxide,DMSO）作为非极性浸提介质，但是对于可降解心血管植入物，由于DMSO可能会引起这类医疗器械的降解，因此在非极性浸提介质时宜考虑DMSO以外的其他适宜浸提介质。6.3溶血对可降解心血管植入物，推荐采用直接接触法和浸提液法2种方法进行溶血试验，从而更完整地评估实际应用中可能的溶血风险。某些可降解材料在不同温度浸提下溶血结果有显著差异，应根据器械本身和预期临床使用条件选择浸提条件。当使用加严浸提时应考虑GB/T16886.12/ISO10993-12中规定的条件。6.4血栓形成在动物试验合并评价血栓形成时，除了在急性、亚急性和慢性血栓的时间点进行观察，建议根据产品降解特性增加观察点，以观察降解物对血栓的影响。6.5免疫毒性评估根据GB/T16886.20，降解产物可能会与宿主的蛋白结合，宜对产品免疫毒性进行评估。对于生物惰性产品，机体从接受抗原刺激到产生免疫应答的周期一般为28d，故可根据一般免疫应答的周期考虑接触周期。对可降解心血管植入物，则需要考虑产品的降解特性、降解周期以确定合理的观察时间点进行评价，采用涵盖降解周期的多个时间点，至少包括植入初期、最大反应期（降解最多的时期）和反应平稳期或者反应消失期以获得对器械体内全周期的合理评估。6.6其他对于用于先天性心脏病的房间隔/室间隔缺损封堵器，由于婴幼儿血脑屏障发育尚不完善，还宜考虑降解产物对于婴幼儿的神经毒性风险。此外，还宜结合相关文献评估降解产物对儿童生长发育的影响。7总结与展望总结与展望近年来，可降解心血管植入物因其独特的临床应用价值受到广泛关注，然而由于生物可降解材料及其在心血管应用的复杂性，针对具有不同理化性质和降解特性的心血管植入物，如何选择合适的试验条件和生物学评价终点，如何评价传统生物相容性方法的适用性，如何分析体内和体外降解行为的一致性，都是尚未解决的难题。将来可降解心血管植入物的生物学评价策略是更进一步细化该类植入物的理化表征及毒理学评价方法，使其能够真正代表降解过程的不同阶段并能涵盖植入物全降解周期中最恶劣的条件，在此基础上合理明确生物学评价终点并有针对性地建立个性化生物学评价技术和标准。参考文献LIU C H,LUO H Y,WAN M,et al.Strategy onbiologicalevaluationforbiodegradable/absorbablematerials and medical devicesJ.Biomed Mater Eng,2018,29(3):269-278.1Standard guide for assessment of absorbable polymericimplants:ASTMF2902-16S/OL.2023-06-01.https:/www.astm.org/f2902-16.html.2Standardpracticeforassessmentofselectedtissueeffectsof absorbable biomaterials for implant applications:ASTMF1983-23S/OL.2023-06-01.https:/www.astm.org/f1983-23.html.3BOWENPK,DRELICHJ,GOLDMANJ.ZincexhibitsidealphysiologicalcorrosionbehaviorforbioabsorbablestentsJ.AdvMater,2013,25(18):2577-2582.4WITTEF,FISCHERJ,NELLESENJ,etal.In vitroandin vivocorrosionmeasurementsofmagnesiumalloysJ.Biomaterials,2006,27(7):1013-1018.5Biological evaluation of medical devices Part 9:Framework for identification and quantification ofpotential degradation products:ISO 10993-9:2009.2023-06-01.https:/www.iso.org/standard/64580.html.6Biological evaluation of medical devices Part 13:Identificationandquantificationofdegradationproductsfrom polymeric medical devices:ISO 10993-13:2010S/OL.2023-06-01.https:/www.iso.org/standard/44050.html.7Biological evaluation of medical devices Part 14:Identificationandquantificationofdegradationproductsfrom ceramics:ISO 10993-14:2001S/OL.2023-06-01.https:/www.iso.org/standard/22693.html.8Biological evaluation of medical devices Part 15:Identificationandquantificationofdegradationproductsfrom metals and alloys:ISO 10993-15:2019S/OL.2023-06-01.https:/www.iso.org/standard/68937.html.9BiologicalevaluationofmedicaldevicesPart6:Testsfor local effects after implantation:ISO 10993-6:2016S/OL.2023-06-01.https:/www.iso.org/standard/61089.html.10LIU Z,GUAN L D,SUN K,et al.In vivo study ofnovelly formulated porcine-derived fibrinogen as anefficientsealantJ.JMaterSciMaterMed,2015,26(3):146.11ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期监 管 与 测 试211