醫材產品生物相容與安全性的考量 · 醫材產品生物相容與安全性的考量黎莉婷方策科技股份有限公司 2017.3.28 2017生醫產業人材培訓課程

醫材產品生物相容與安全性的考量

黎莉婷

方策科技股份有限公司

2017.3.28

2017生醫產業人材培訓課程

National Taipei University of Technology

生物相容性評估之目的

2

主要是判斷醫療器材所使用的材料是否有

潛在毒素，這些毒素在器材接觸到人體後釋放

出來是否造成人體傷害或疾病。

Safety


生物相容性概念

3

生物相容性 (biocompatibility) : The quality of not having toxic or injurious effects on biological systems

人體對生醫材料的反應可以依其影響範圍區分

系統反應 (systematic response)

細胞反應(cellular response)

組織反應 (tissue response)

局部反應 (local response)


生醫材料之生物相容性標準

4

- ISO 10993 http://www.iso.org/iso/iso_catalogue.htm- ASTM F748-95 http://www.astm.org

- FDA Guidance documents (G95-1) http://www.fda.gov/cdrh/g951.html

- CNS 14393:2004 http://www.cnsonline.com.tw/

國際標準

國家標準

CNS 14393標準及FDA (G95-1)均引用ISO 10993 標準


ISO 10993簡介

5• 本系列標準也不包含器材因機械疲乏產生的生物學危害之評估

• 本系列只限於評估直接或間接地接觸人體的器材，非直接與非間接接觸人體的器材，不在本系列標準的適用範圍。

ISO 10993醫療器材生物學評估 Biological evaluation of medical devices

「醫療器材生物學評估」標準

針對醫療器材與材料所訂出評估生物安全性的全部規範文件。醫療器材與材料應用於人體(包括臨床測試)之前，經過本系列之評估，確認其生

物安全性後方才能使用

該標準已被歐洲和美國採用為國家標準，是當今世界醫療器材生物性評估的最新潮流，亦是目前最完整的生物性評估標準。


ISO 10993 相關文件

6

第一部份評估與試驗

第二部份動物福利規定

第三部份基因毒性、致癌性與生殖毒性的試驗

第四部份血液相互作用試驗選擇

第五部份細胞毒性選擇：體外試驗法

第六部份植入後局部效應試驗

第七部份氧化乙烯消毒殘餘物

第八部份臨床研究

第九部份有關生物試驗材料降解作用

第十部份刺激與過敏試驗

ISO 10993 “醫療器材生物性評估”共計分成二十篇如下 :


ISO 10993 相關文件

7

第十一部份系統毒性試驗

第十二部份樣品製備與參考材料

第十三部份聚合物降解產品之識別與檢定

第十四部份陶磁降解產品之識別與檢定

第十五部份塗裝與未塗裝金屬及合金降解產品之識別與檢定

第十六部份醫療器材降解產品與可瀝濾物毒性學研究設計一般準則

第十七部份工業消毒醫療器材中戊二醛與甲醛殘餘物

第十八部份材料的化學特性

第十九部份材料的理化、形態與貌相特性

第二十部份醫療器材免疫毒性試驗方法與原則


ISO 10993 文件性質

8

確保試驗系統的正確性參考材料/試驗樣本

ISO 10993-8 採用參考材料的要求ISO 10993-12 樣品製備參考材料選擇

架構ISO 10993-1 本系列標準的總指揮包含評估通則及如何選試驗項目

動物保護ISO 10993-2 基於尊重生命的訴求本標準規定對待動物的本要求

衰解產物/可濾出物/生物衰解/材料化學特性ISO 10993-9 降解評估ISO 10993-13 高分子ISO 10993-14 陶瓷ISO 10993-15 金屬/合金ISO 10993-16 毒性動力學實驗設計ISO 10993-17 可濾出物允許極限訂定ISO 10993-18 敘述化學特性

滅菌殘留 ISO 10993-7 規定醫材經亞化乙烯滅菌後殘留的允極限、檢驗方式與決定器材可否放行方法

評估試驗項目

ISO 10993-3 基因毒性、致癌性、生殖毒性ISO 10993-4 血液相容性ISO 10993-5 體外細胞毒性ISO 10993-6 植入試驗ISO 10993-10 過敏性、刺激性、皮內試驗ISO 10993-11 系統毒性、急毒性、慢性毒性亞急性毒性


醫療器材分類

9

與身體接觸〝方式〞

與身體接觸〝時間〞

兩參數決定生物學評估試驗項目

醫療器材分纇之主要依據:


醫療器材特性分類:接觸方式

10

未涵蓋在ISO 10993範圍內

人工血管心臟瓣膜心室輔導器體內藥物輸

送導管

心律調節器藥物供應器人工肌腱結紮夾乳房植入物

組織(液)骨頭

骨釘骨板骨頭替代物人工關節骨骼內醫材

血液

體外義肢固定膠布壓迫性繃帶監測器

皮膚黏膜受傷表面

隱形眼鏡導尿管腸內醫材牙科填充物

敷料癒合之醫材封閉型貼片

只與完整體表接觸

只與完整黏膜接觸

只與受傷體表接觸

體液輸入套轉接套血液輸注套

血液路徑組織骨牙血液循環

腹腔鏡關節鏡牙科填充物皮膚用釘針

血管內導管透析器充氧氣免疫吸附劑

與某一點血液路徑接觸

與組織/骨頭/牙齒接觸

與血液循環接觸

不接觸人體

接觸體表

體外聯通

植入體內

醫材接觸


醫療器材特性分類:接觸時間

11

A. 短期 (Limited)≦24小時單次、多次使用或接觸

B. 長期 (Prolonged)24小時~30天單次、多次、長期使用或接觸

C. 永久 (Permanent)＞30天單次、多次、長期使用或接觸


選擇生物評估方法

12

試驗項目

初步評估試驗補充性評估試驗

• 細胞毒性 (ISO 10993-5 )• 急性毒性 (ISO 10993-11)• 亞急性毒性 (ISO 10993-11)• 致敏性 (ISO 10993-10)• 皮內反應 (ISO 10993-10)• 刺激性 (ISO 10993-10)• 血液相容性 (ISO 10993-4)• 植入 (ISO 10993-6)

• 慢性毒性 (ISO 10993-11)• 致癌性 (ISO 10993-3)• 生殖發育毒性 (ISO 10993-3)• 生物可降解性 (ISO 10993-9)

與醫療器材接觸之

方式 ? 時間 ?


ISO 10993 生物評估試驗項目表

13

● FDA + ISO⊕ additional test for FDA


基本生物安全性評估測試

14

ISO 10993-1 特別加重下列三項測試，不管哪一種接觸

方式及接觸時間這三項幾乎都要做

細胞毒性

刺激或皮內反應

過敏反應

(基本三項)

細胞毒性 CytotoxicityISO10993-5


細胞毒性評估試驗

16

ISO 10993-5 Test for in vitro Cytotoxicity

細胞毒性試驗為體外試驗，系採用哺乳動物的細胞，於生物體外把測試樣品利用不同接觸方式接觸細胞，隨後檢測細胞之生物參數，此試驗可以測試醫療器材、材料或其萃取物所引起之生物反應

纖維母細胞 (L929 3T3…)

直接接觸模式? 間接接觸模式?

培養時間>24小時

正/負控制組

定性及定量評估

細胞毒性試驗 (Cytotoxicity)


細胞毒性評估試驗

17

凝膠層

濾膜擴散試驗(Filter diffusion test)

生醫材料

直接接觸試驗(Direct contact test)

生醫材料

萃取試驗(Elution test)

試驗

方式

生醫材料

評估

方式定性

定量

: 細胞型態、細胞溶解、空泡形成、剝離性、細胞膜完整顯微鏡檢察(必要時可採細胞染色)

量測細胞死亡、細胞抑制成長、細胞增殖或菌落形成等參數

參考/對照材料

說明

無細胞毒性輕微細胞毒性中度細胞毒性重度細胞毒性

細胞毒性等級

0123

生醫材料凝膠層

瓊脂擴散試驗(Agar diffusion test)

生醫材料濾膜

(孔徑0.45μm)

(基本三項)

刺激反應 IrritationISO10993-10


刺激性試驗評估

19

ISO 10993-10 Test for Irritation and Delayed-type Hyperseneitivity

兔子(2Kg以上健康初成年白化兔)

選擇合適的測試途徑(皮膚、眼睛、黏膜、皮內）

暴露或接觸待測物時間

以適當模式中之適合的植入部位(皮膚、眼睛、黏膜等組織)來評估醫療器材、材料及其萃取物之刺激性。試驗方法系選擇合適的測試途徑及暴露或接觸待測物以測定醫療器材、材料及其萃取物之刺激性

刺激性試驗 (Irritation)


刺激性試驗評估

20

12345

12345

12345

12345

樣品萃取液注射

控制組溶劑注射

每點注射0.2ml

剃毛部位

≧4小時

剃毛部位

對照組(紗布)

對照組

(紗布)實驗組

實驗組

25mm2

25mm2

25mm2

25mm2

觀察評估

皮膚刺激 (Skin irritation)

試驗材料

溶劑

多重複計算平均評分

皮內反應 (Intracutance reactivity)

(基本三項)

過敏反應 SensitizationISO10993-10


過敏性試驗評估 (1/2)

22

ISO 10993-10 Test for Irritation and Delayed-type Hyperseneitivity

白天竺鼠(300~500g)

試驗模式選擇

-最大化試驗: 用萃取液混入佐劑於特定部位皮內誘發，七天後進行局部誘發(48h)，十四天後進行考驗(24h)

-封閉試驗: 連續3週每週擇連續3天，每次六小時，以敷貼方式對天竺鼠進行誘發，十四天後再進行考驗。

使用適當實驗模式，評估醫療器材、材料及/或其萃取物所引發之接觸性過敏或致敏性反應。因為暴露或接觸微量潛在的溶出物即會引起過敏或致敏反應，因此適合進行此類試驗

過敏試驗 (Hyperseneitivity)


過敏性試驗評估

23

。

10％SLS

+試料

8cm2 貼片(蓋住皮內注射部位)

皮內誘發

1 局部誘發

2

試驗3

7 day

48h

14 day

24h

前處理

ABC

溶劑+佐劑

萃取液+佐劑萃取液

0.1ml

敷貼

前處理

萃取液

敷貼

6h

24h

6h

24h

6h

24h 14day

6h6h

24h

6h

24h

6h

24h

6h

24h

6h

24h

6h

第一星期第二星期第三星期

誘發階段激發階段

觀察評估

封閉貼片試驗 (Bueher test)最大化試驗 (maximization)

植入試驗 Implant EffectsISO10993-6

植入試驗 – 試驗對象

對象

1. 接入組織(骨、牙)時間超過24h的外部接入器械

2. 植入組織(骨)超過24h的植入器械，所有接觸血液的植入器械

應進行植入後局部反應試驗的器械或材料

對於要進行植入後局部反應評價的器材或材料，如果經證實，其材料與已上市產品相同且表面結構和狀態也相同，則不必進行植入後局部反應試驗

如果材料與已上市產品不同，或表面結構和狀態不同，則需要進行植入後局部反應試驗

如果無法確定醫療器材與已上市產品的異同，也必須進行進行植入後局部反應試驗

植入試驗

ISO 10993-6 Tests for local effects after implantation

用來評鑑在預期的用途下，以外科方式置入或植入器材或材料於組織之適當部位時，活體組織在巨觀總體上與顯微學層面的局部病理效應。

植入部位與時間長短依據在人體上預期用途來決定

皮下植入 (Subcutaneous)

肌肉植入(Muscle)

骨植入(Bone)

植入部位

短期試驗 (12周以內)

長期試驗 (12周以上)

植入時間Muscle tissue from negative and positive reacting implants.

Minimal response

Severe response

http://www.devicelink.com/mddi/archive/98/08/013.html

植入試驗 – 動物選擇

動物選擇

依試驗樣品大小、試驗周期與動物壽命、以及硬組織及軟組織在種屬間的差異性等因素選擇動物

觀察期選擇

短期試驗(皮下組織、肌肉):小鼠、大鼠、天竺鼠、兔子

長期試驗(皮下組織、肌肉、骨骼) :大鼠、天竺鼠、兔子、狗、羊、豬或其他壽命較長動物

植入試驗 – 觀察時間點

短期試驗

長期試驗

系統反應 Systemic EffectsISO10993-11

全身毒性試驗

對象

1. 所有與血液直接或間接接觸的器械都要進行急性全身毒性評價

2. 所有與血液接觸超過30d的器械，接觸黏膜或損傷表面的時間超過30d的表面器械都要進行亞急性毒性和(或)亞慢性毒性評價

3. 所有與血液接觸超過30d的器械，植入組織或骨超過30d的植入器械應進行慢性毒性評價

標準

全身毒性試驗中的急性全身毒性試驗和熱源試驗在許多國家已有規範的標準方法，試驗方法和結果判定基本一致，亞急性毒性、亞慢性毒性和慢性毒性性試驗目前尚無統一的標準，各國對同一試驗的要求也有所不同。

系統反應(全身毒性反應)

ISO 10993-11 Tests for systemic toxicity

適用於醫療器材組成成分是放置人體中可能造成全身毒性的評估方法。

依醫材使用時間長短

• 急性毒性 (acute toxicity) : < 24 hours• 亞急(subacute) : 14-28 days • 亞慢性毒性 (subacute/subchronictoxicity) : up to 90 days • 慢性毒性 (chronic toxicity) : > 90 days

• 口服 (oral)• 皮膚(dermal)• 口鼻吸入(inhalation)• 靜脈注射(intravenous)• 腹腔注射(intraperitoneal)

依投予方式不同

評估項目 : 死亡率、體重、攝食量、臨床症狀…

全身毒性常規觀察

全身毒性 – 血液/組織病理分析

血液相容性Hemocompatibility

ISO10993-4

血液相容性試驗

對於接觸血液的醫療器材(不論接觸時間)，建議考慮進行溶血性、免疫性(補體

活性)和致血栓性(thrombogenicity)測試。(間接血液接觸的醫療器材，一般可

不需要進行補體活性和活體致血栓性測試。)

溶血性測試，建議依照ASTM F75616或相等方法(如美國國家衛生院(NIH)提

出的Autian法)，來進行直接和間接(萃取)法。

免疫性測試應妥善處理不同補體活性路徑。此處建議使用既有測試法(例如

ELISA試驗)，來評估體外直接接觸C3a與SC5b-9片段活性。此外，亦能使用相

等的補體測試法，如ASTM F206519和ASTM F1984。

血液相容性試驗 – 體外連通器材

血液相容性試驗 – 植入器材

體外連通器材試驗方法

植入器材試驗方法

基因毒性 GenotoxicityISO10993-3

基因毒性

• 安氏試驗或沙門氏菌逆突變試驗In vitro Ames test• 染色體變異試驗In vitro Chromosomal aberration• 鼷鼠淋巴癌細胞TK分析In vitro Mouse lymphoma• 微核或小核試驗In vivo micronucleus

運用哺乳動物或非哺乳類細胞培養或其他技術已測定由器材、材料或其萃取物引起的基因突變、染色體變化與數目變化、以及其他DNA或基因毒性。

ISO 10993-3 Tests for genotoxicity, carcinogenicity and reproductive toxicity

若傷害結果有產生細胞遺傳基因突然變異、或染色體異常的陽性物質，則為變異原性物質(mutagenicsubstance或mutagen)，可能需要增做致癌性試驗(carcinogenicity)

方法(ISO 10993建議直接參照OEDC 文件)

OECD : 經濟合作與發展組織（Organisation for Economic Co-operation and Development)

基因毒性測試方法

Ames試驗

鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）的組氨酸營養缺陷型（his－）菌株，在含微量組氨酸的培養基中，除極少數自發回復突變的細胞外，一般只能分裂幾次，形成在顯微鏡下才能見到的微菌落。受誘變劑作用后，大量細胞發生回復突變，自行合成組氨酸，發育成肉眼可見的菌落。某些化學物質需經代謝活化才有致變作用，在測試系統中加入哺乳動物微粒體酶①，可彌補體外試驗缺乏代謝活化系統之不足。鑒於化學物質的致突變作用與致癌作用之間密切相關，故此法現廣泛應用於致癌物的篩選

利用微生物系統來檢測致癌物質及致突變物質是否存在的分析方法，其原理是基於許多致癌物質可以和DNA 結合，或是改變DNA 的鹽基，而造成微生物的突變而設計。

致癌性 CarcinogenicityISO10993-3

致癌性試驗

In vivo bioassay

Species: rat, mouse

Two year duration

Multiple dose groups

Histological tissue examination

Statistical analysis

Risk assessment

生殖與發育毒性Re p r o d u c t i v e a n d d e v e l o p m e n t a l t o x i c i t y

ISO10993-3

生殖毒性測試

生殖與發育毒性試驗

以囓齒類動物及兔子為受試動物，評估使用於懷孕前、懷孕期及授乳期之生殖與發育毒性，以提供瞭解該產品對生殖力、胚胎毒性、新生兒及母體授乳等影響及引起畸胎之可能性。

試驗項目試驗內容

1 生殖一期試驗以囓齒類動物為受試動物，在懷孕前與懷孕初期投予試驗物質，評估其對雄、雌兩性的生殖力、受精卵之運送與著床率之影響。

2 生殖二期試驗以囓齒類或兔子為受試動物，於器官形成期(自胚胎著床至器官形成完全)投予試驗物質，評估其對胚胎發育之影響、及造成畸胎之可能性。

3 生殖一三期試驗以囓齒類動物於器官形成後至授乳完全之階段，投予試驗物質，評估試驗物質對母體、胚胎發育及新生兒之影響，及引起畸胎之可能性。

生物可降解性試驗ISO10993-９

生物可降解性試驗

美國食品藥物管理局建議，當器材採用生物降解設計時，則於適用

動物模型上進行活體生物降解性試驗。

ISO 10993-1標準規定，應描述降解率影響參數且出具書面文件。委

託者應提報降解率，以及對降解器材之生物反應。

若發現有中毒反應，建議追加體外測試以判斷毒性來源，例如可疑

化學物質等。

美國食品藥物管理局建議，委託者在進行生物降解性試驗前，先與

醫療器材與輻射安全中心討論提議之測試內容，確保研究設計適用

於評鑑潛在風險。

送審時，應提出收錄試驗計畫及列出降解產物特性的試驗報告等。

常規試驗項目

試驗項目試驗內容

細胞毒性試驗- MEM elution method

依據ISO10993-5 使用細胞培養技術，測試由醫療器材或其萃取物引起之細胞死亡、抑制細胞生長及其它效應。利用 L929 纖維母細胞檢測樣品。

血液相容性試驗- 溶血試驗

依據ISO10993-4、ASTM，在體外測試醫療器材或其萃取物，對紅血球細胞破裂及血紅素的釋放程度。

致敏性試驗- 天竺鼠極大化過敏性試驗- 天竺鼠封閉敷貼過敏性試驗

依據ISO10993-10，以天竺鼠為受試動物，評估醫療器材或其萃取物所引發之接觸性過敏或致敏性反應。

刺激性試驗- 兔子皮膚刺激性試驗- 兔子眼睛刺激性試驗

依據ISO10993-10，以紐西蘭白兔為受試動物，依據樣品使用之方式，選擇合適的測試途徑(皮膚、眼睛、黏膜等)，測定醫療器材或其萃取物之刺激性。

皮內刺激性反應- 兔子皮內刺激性試驗

依據ISO10993-10，以紐西蘭白兔為受試動物，以皮下注入醫療器材或其萃取物，藉由量測紅斑及其他皮膚反應，評估主要的組織對器材的刺激效應。

急性系統性毒性試驗- 急性系統性毒性試驗

依據ISO10993-11，藉由受試動物單次短期接觸醫療器材或其萃取物，評估其潛在危害效應。

重複劑量亞急性/亞慢毒性試驗- 亞急/亞慢毒性試驗

依據ISO10993-11，藉由受試動物重覆接觸醫療器材或其萃取物(14天~90天)，評估其潛在危害效應。

慢性毒性試驗- 慢性毒性試驗

依據ISO10993-11，藉由受試動物長期重覆接觸醫療器材或其萃取物(>6個月)，評估其潛在危害效應。

熱原試驗- 兔子熱原試驗- LAL Test

依據USP，熱原試驗反應可測試由材料及細菌內毒素引起之熱原反應。評估醫療器材或其萃取物注射於紐西蘭白兔體內後，受試動物體溫之變異，或以LAL test內毒素試驗進行評估。

基因毒性試驗- 沙門氏桿菌回覆突變測試- 染色體變異試驗- 囓齒類動物周邊血液微核分析- 小鼠淋巴細胞瘤TK試驗

依據ISO10993-3，以沙門氏桿菌或哺乳類細胞培養等技術，評估醫療器材或其萃取物造成基因突變性、染色體結構與數目之改變，與其他DNA或基因毒性等。

植入試驗- 肌肉植入- 皮下植入- 骨頭植入

依據ISO10993-6，考量適當植入位置及測試時間，將原料或成品植入適當部位或擬應用之組織部位開刀植入材料或成品的樣品，以評估其局部活體組織之病理學效應，包含整體及顯微層面的局部組織病理效應。


減免生物相容性試驗

52

並非所有的產品都必須實際進行生物相容性試驗

ISO 10993-1 第6條提及 :「評估可同時包括相關經驗探討與實際試驗，如待評估器材使用

的材料與另一項特定使用材料互相對等（Equivalent）且特定

器材使用之材料已經過生物性評估確認，則可不必進行實際測試」

ISO 10993之目的，是提供一項試驗策略的參考，以減少不必要的試驗、降低實驗動物的使用、及節省資源成本，而又不會影響醫療器材之安全


減免生物相容性試驗

53

依據〝醫療器材之系統性生物評估流程圖〞評估可減免之試驗項目

ISO 10993-1 提供一評估指引，供醫療器材製造商選擇生物評估試驗時，利用這份結構化的評估表，以考量材料、加工輔助物質以及人類使用歷史的所有訊息，以降低額外試驗的必要性。

開始器材是否與

人體直接接觸或間接接觸?

材料特性材料是否與

現行商品化器材相同?

器材特性判別1. 接觸性質2. 接觸時間

生物性評估

選擇生物評估方法試驗及/或原由

/判定

符合 ISO 10993規定

充分證明及(或)有可提供之

試驗數據?

最終評估

1.製造2.人體接觸3.滅菌

器材是否有相同性質?

不適合進行生物性評估否

是

否否

是

是

否

是是


減免生物相容性試驗的情形

54

申請產品與已核准上市的類似品為同製造廠，可以證明2項材質對等

期刊、論文、教科書、或製造廠內部對類似品或相同材質曾進行生物性評估試驗，證實產品或材質在相同的接觸時間和接觸方式有充分的安全性。

材料已有長久應用於產品製造的前例，當此材料在次應用於相關產品之製造時，則無須進行生物性評估試驗

證實2項材質實質對等性

- 以材質證明減免

- 與已上市產品比較

- 引用科學文獻證明

重新進行生物性評估試驗

如有下列情形發生，則材料或最終產品必須重新做生物學評估：

用於產品製造的材料之來源或規格發生任何改變時

產品的配方、程序、主要包裝或滅菌方法有任何改變時

製造商說明書上任何改變或預期改變儲存期，例如儲存期限且/或運送之改變

產品的預期用途發生任何改變時

有證據顯示最終產品用於人體時會產生不良反應

執行生物學評估，必須合併考慮器材製造所用材料主成分的本質與移動性，以及其他資訊、其他非臨床試驗、臨床試驗與上市後經驗，以作為全面性評估。

一般生物相容性測試考量要點

A. 使用最終產品或代表樣本

B. 原地聚合化與生物吸收性物質

C. 醫療器材發生機械故障導致之生物反應

D. 次微米或奈米科技成分

E. 製備萃取物測試用樣本

F. 單一樣本含有數種成分或物質

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