医疗器械中应用的纳米材料安全性和有效性评价框架指导原则征求意见稿.docx
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医疗器械中应用的纳米材料安全性和有效性评价框架指导原则征求意见稿
医疗器械中应用的纳米材料的安全性和有效性评价体系框架指导原则
（征求意见稿）
一、背景
纳米材料在医疗器械中的应用十分广泛，现有的医疗器械中应用的纳米材料包括添加到医疗器械中的游离态纳米材料（如伤口敷料中作为抗菌剂的纳米银），利用纳米材料特性增加生物反应性（如医用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合骨充填材料）或者预防感染（如纳米银创伤贴）的固化纳米材料等。
此外，即使医疗器械本身不含有纳米材料，其使用/植入过程也有可能导致纳米尺寸颗粒的产生。
根据国家标准（GB/T30544.4-2019），对于纳米材料的定义物质结构在三维空间中至少一维处于1到100nm之间且具有特殊性质的材料被认为是纳米材料。
纳米材料独特的物理、化学和生物学性质为医疗器械获得突破性发展提供了新的机遇，同时也蕴含潜在的临床应用风险。
本指导原则针对医疗器械中使用的纳米材料，为申请人/监管机构提供关于纳米材料安全性和有效性评价相关方面的信息。
本指导原则是对医疗器械中应用的纳米材料的一般要求，申请人应依据具体产品的特性对注册申报资料的内容进行充分说明和细化。
申请人还应依据具体产品的特性确定其中的具体内容是否适用，若不适用，需详细阐述理由及相应的科学依据。
本指导原则是对申请人和审评人员的指导性文件，但不包括注册审批所涉及的行政事项，亦不作为法规强制执行，如果有能满足相关法规要求的其它方法，也可以采用，但是需要提供详细的研究资料和验证资料。
应在遵循相关法规的前提下使用本指导原则。
本指导原则是在现行法规和标准体系以及当前认知水平下制定的，随着法规和标准的不断完善，以及科学技术的不断发展，本指导原则相关内容也将进行适时的调整。
二、适用范围
本指导原则适用于与人体直接或间接接触，由纳米材料组成或包含纳米材料的医疗器械，以及在生产过程中未使用纳米材料，但医疗器械（或部件）在临床使用过程中降解、磨损或在机械处理过程中（如医疗器械原位研磨、抛光等）产生纳米颗粒的医疗器械的相关安全性和有效性评价。
不适用于：
-纳米技术作为赋能技术的应用。
-纳米技术作为药品的使用。
-含有纳米材料的医疗器械在制造和废弃过程中造成的职业和环境风险。
三、一般原则
（一）纳米材料接触途径的分类
目前现有或者正在处于研发阶段的应用纳米材料的医疗器械，按照在GB/T16886.1中给出的接触途径进行分类（详见第五章表2）。
对于所有类别的医疗器械，纳米材料的潜在暴露均应纳入考虑。
此外，即使医疗器械本身不含有纳米材料，其生产/使用过程中的磨损也有可能导致纳米尺寸的颗粒产生。
按照国家局的“国食药监械[2006]146号”规定，纳米生物材料类医疗器械作为III类医疗器械管理。
（二）风险评估
纳米材料的特性为医疗器械获得突破性发展提供了新机遇，同时也存在潜在的不确定的风险，在设计、临床前测试、临床评价、设计变更等阶段，注册申请人可以根据《GB/T16886.1医疗器械生物学评价风险管理过程中的评价与试验》、《YY/T0316-2016医疗器械风险管理对医疗器械的应用》和《医疗器械产品受益-风险评估注册技术审查指导原则》中规定的风险因素，对含有纳米材料的医疗器械进行风险评估。
含有纳米材料的医疗器械与纳米材料相关的风险因素主要包括纳米材料从器械释放的可能性、暴露剂量、暴露途径、接触部位和持续时间。
（三）纳米材料的安全性评价
生物相容性/毒理学评价是纳米材料安全性评价的重要内容，GB/T16886.1规定了应当根据器械的类型和与机体接触的时间来进行生物学风险评估程序的框架。
该框架通常也适用于包含、产生纳米材料或由纳米材料组成的医疗器械。
GB/T16886系列标准的后续部分描述了更为详细的试验评价方案。
纳米材料生物相容性/毒理学相关标准将陆续起草并发布。
当前ISOTC194“医疗器械生物相容性评价技术委员会”已颁布了医疗器械生物学评价第22部分：
纳米材料指南（国际标准转化工作正在进行中），纳米材料生物相容性评价应参考ISO/TR10993-22充分考虑和论证方法的适用性。
目前，已发布并实施的三项医疗器械推荐性标准：
YY/T0993-2015医疗器械生物学评价纳米材料：
体外细胞毒性试验（MTT试验和LDH试验）、YY/T1295-2015医疗器械生物学评价纳米材料：
细菌内毒素试验和YY/T1532-2017医疗器械生物学评价纳米材料溶血试验，这些标准为医疗器械中的纳米材料生物相容性/毒理学评价提供了部分专属的方法。
因为纳米材料不同的体积形式显示不同的物理化学性质（例如机械，化学，磁，光或电），因此，生物体暴露于纳米材料之后，可能表现出与常规材料不同的生物相容性/毒理学反应。
申请人应针对医疗器械的结构形式、预期用途、与人体的接触途径、所含纳米材料的种类和形态等因素，通过设计一系列预试验来获得纳米材料与测试系统相互作用的知识，并对纳米材料对于试验结果的影响进行定性/定量研究，从而建立起适合所申请产品特点的生物相容性/毒理学评价专属试验方案。
纳米材料的安全性评价流程和路径见图1。
图1医疗器械中应用的纳米材料安全性评价流程图
（四）纳米材料的有效性评价
根据医疗器械的预期用途，医疗器械中应用的纳米材料的有效性评价方法可包括台架试验、体外测试、计算机模拟、动物试验和临床试验。
申请人应阐明在产品中使用纳米材料/纳米技术的必要性，以及与不采用纳米材料的已上市同品种医疗器械/诊疗手段的明显优势。
如有可能，临床前和临床试验建议采用优效性试验。
尽管动物与人体之间，在部分医疗器械的有效性方面可能存在一定差异，但设计合理的动物实验可支持产品的有效性（包括性能和操作）评估。
医疗器械动物实验研究技术审查指导原则第一部分：
决策原则（2019年第18号）和第二部分：
实验设计、实施质量保证，为评估包含纳米材料的医疗器械是否需要开展动物试验以及如何开展动物试验提供了指南。
由于纳米技术是正在快速发展的新兴领域，含纳米材料的医疗器械在进行风险评估时，可能无法与已上市产品进行等同性比较，需要通过适宜的动物模型来评价纳米材料的有效性。
申请人宜提出明确的试验目的（即拟解决的问题），并根据试验目的由具有相应的专业知识和实践经验的人员制定科学、合理的研究方案。
根据国家药品监督管理局发布的《医疗器械临床试验质量管理规范》（第25号）和《医疗器械临床评价技术指导原则》开展临床评价。
（五）医疗器械中应用的纳米材料安全性和有效性评价体系框架
纳米材料因其特有的性能，可能为医疗器械性能带来大幅度改善，或者实现传统技术无法达到的新功能，从而为疾病的诊断、预防、监护、治疗或者缓解提供新的产品或者手段，另一方面，其安全性问题一直是科学界、行业和监管部门关注的重点。
根据《医疗器械安全和性能的基本原则》，医疗器械应实现其预期性能，其设计和生产应确保器械在预期使用条件下达到预期目的。
这些器械应是安全的并且能够实现其预期性能，与患者受益相比，其风险应是可接受的，且不会损害医疗环境、患者安全、使用者及他人的安全和健康。
本指导原则系列将在充分吸收最新科研成果的基础上，分别对纳米材料表征、体外替代测试/计算机模拟研究、生物相容性/毒理学评价、动物试验评价及临床评价进行分析，并给出建议。
由于医疗器械种类众多，其人体接触/暴露途径也存在很大差异，具体到某一医疗器械，不一定需要上述所有评价方法。
四、纳米材料表征
（一）总则
医疗器械的材料表征包括化学、物理化学、形态学和表面特性等表征（GB/T16886.18和GB/T16886.19），纳米材料表现出独特的性质取决于它们的大小、形状和表面形态等不同于常规材料。
因此，纳米材料在医疗器械的设计、开发和最终生产的所有阶段的理化表征是完成生物相容性/毒理学评价的重要一步，也对医疗器械中新纳米材料进行有效筛选给出建设性意见。
此外，在进行试验设计时，表征信息可以指导试验方案的制定。
ISO/TR13014列出了以下毒理学试验中需要表征的工程纳米级材料的特性：
化学成分、纯度、尺寸和尺寸分布、聚集和团聚状态、形状、表面积、表面化学、表面电荷、溶解度和分散度等。
这些性质应该被看作是医疗器械所用纳米材料评价的出发点；附加属性的表征可以根据医疗器械的设计、预期用途和磨损特性来表示。
例如，其他理化特性可按照下述内容逐一考察：
结晶、孔隙度、氧化还原电位、（光）催化、自由基的形成潜力和辛醇/水系数（未必适用于固体材料）。
为获取以上需要的资料，在进行特定纳米材料与医疗器械相关且可靠的表征过程中，物理学家、化学家、毒理学家、工程师和其他学科领域的专家之间的多学科合作是必要的。
除了上述理化表征，表面具有纳米结构的医疗器械可能需要从形态学上进行表征。
对于表面纳米结构修饰的医疗器械将继续探讨细胞和微生物与医疗器械间的相互作用。
对于表面结构的有效表征所需测量的参数取决于特定的应用。
例如Webb等提出至少使用三个统计学参数作为一个标准来描述与细菌粘附相关的纵向和横向纳米结构：
平均表面粗糙度（Ra）、表面面积差（Rsa）、峰值计数（Rpc）。
峰高度以及峰-峰距离可以作为有意义的空间参数。
对应用纳米多孔材料的医疗器械（例如药物输送和组织支架等）的表征包含以下信息：
孔隙或空隙的尺寸和结构、密度和分布。
（二）表征参数与方法
表1汇总了用于医疗器械中纳米材料表征的基本参数。
ISO/TR13014:
2012提供了与这些生物学评价参数的相关详细信息。
基于ISO/TR13014，表1还提供了可以为每个参数进行定量和/或定性的方法。
随着对纳米材料的不断研究和探索，其表征方法也将不断改进优化，故本表应根据需要进行动态调整。
表中所列出的方法包括某些常规材料的分析方法，以及专门为纳米级材料开发的特殊方法。
用于纳米材料表征的相关方法包括分离和提取（如超离心、流场分离技术（Fieldflowfractionation,FFF）、流体动力学色谱（Hydrodynamicchromatography,HDC）以及使用光谱或质谱技术的化学分析/检测，如电感耦合等离子体质谱法（Inductivelycoupledplasmamassspectrometry,ICP-MS）、紫外光谱（Ultravioletspectrum,UV）、原子吸收光谱法（Atomicabsorptionspectroscopy,AAS）、BET表面积测定（Brunauer,Emmett,Teller'stest,BET）。
纳米材料的原位成像方法，如磁粒子成像（Magneticparticleimaging,MPI）和正电子发射断层扫描（Positron emission tomography,PET）目前正在开发中。
电子显微镜是用于表征纳米材料的最普遍适用的方法。
纳米材料的尺寸和形态在扫描电子显微镜（Fieldemissionscanningelectronmicroscopy,FESEM），场发射扫描电子显微镜（Fieldemissiongun-scanningelectronmicroscopes,FEG-SEM）,透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscope,TEM）,扫描透射电子显微镜（Scanningtransmissionelectronmicroscopy,STEM）和聚焦离子束与扫描电镜（Focusionbeam/scanningelectronmicroscope,FIB/SEM）下容易测得。
高分辨透射电子显微镜（Highresolutiontransmissionelectronmicroscopy,HRTEM）可以将粒子和原子团簇的结构信息的分辨率降低到0.2nm以下，而电子能量损失谱（Electronenergylossspectroscopy,EELS）和能量色散X射线光谱仪（EnergyDispersiveX-RaySpectroscopy,EDX）分析可以对纳米级的粒子进行化学分析。
结合几种方法可以同时研究颗粒大小、形状、结构、成分和表面性质。
单一的表征方法可能无法提供准确的评价参数（例如粒度分布，表面组合物），需要多种方法用于一个特定的理化参数的表征。
但要注意的是，可能对特定属性使用不同方法所获得的结果不能直接比较，并且目前几乎没有统一方法对纳米材料进行理化评价以辅助形成可靠的试验方案，申请人宜在纳米材料的类型和形式以及医疗器械预期用途的基础上选择进行表征的方法。
例如，对于纳米颗粒尺寸确定，在几种指南性文件说明至少使用一种显微镜技术（如TEM），共聚焦激光扫描显微镜（CLSM））。
在EU-JRC发表的报告中描述了对纳米颗粒尺寸测量的方法和存在的缺陷。
由于纳米材料的表征往往是科学和技术上的挑战，因此，申请人宜考虑实验室质量保证程序和最优方案。
纳米材料理化表征手段的选择、表征结果和纳米材料特性的解释分析应该由经过培训且有经验的专业人员进行。
在分析过程中，宜谨慎考虑样品制备以确保所获得的数据来自该器械中有代表性的材料。
如有可能，申请人宜在理化表征中采用可获得的适当的参照材料，以便对分析仪器设备和试验方法进行校正和检验。
表征过程的各个环节应仔细记录，以确保结果的透明度和可重复性。
所用方法应被证实能恰当用于纳米材料的研究。
有关医疗器械中应用的纳米材料理化性质表征的具体内容，将在本系列指导原则后续部分给出。
表1纳米材料关键理化表征和测量方法的举例
表征
测量参数
测量方法举例
与ISO指导原则有关方法学
化学成分和纯度
单一元素或分子（可表示为化学式）的数目与鉴定
非预期成分（杂质）的水平或浓度
X射线荧光
X射线光电子能谱
俄歇电子能谱
傅立叶X射线衍射（XRD变换红外光谱）（FTIR），拉曼和其他分子光谱
热重分析
紫外/可见光谱法
扫描电子显微镜+ XRD或能量色散X射线光谱仪（EDS）
核磁共振
（单一颗粒）电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）
ISO22309
ISO22489
ISO24173
ISO13084
ISO18144
粒度和粒度分布
粒度：
显示规则几何形状的颗粒的等效球形直径
粒子几何形状的一个或几个特定方面的长度
粒度分布：
图形表示，例如直方图、和/或进行统计参数值，例如平均值，中值，和/或模式
动态光散射
小角度X射线散射
尺寸排阻色谱法
扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），或扫描探针显微镜（SPM）分析
微分迁移分析
离心液体沉淀
纳米粒子跟踪分析
拉曼光谱
激光诱导白炽激光
共聚焦显微镜（CLSM）
单个粒子ICP-MS
用于纳米材料分离的切向流过滤，然后进行适当的检测，如ICP-MS（ISO10993-14）
ISO9276系列标准
ISO9277
ISO13318系列标准
ISO13320
ISO13321
ISO13322系列标准
ISO14488
ISO14887
ISO15900
ISO16700
ISO/TS19590
ISO20998-1
ISO21501系列标准
ISO22412
汇聚/集聚状态
粒度
相比于初始粒子的汇聚/集聚颗粒总数
汇聚/集聚时的初始颗粒数
每汇聚/集聚时初始颗粒数的分布
（cryo-）SEM或（cryo-）TEM分析图片
不同的波长下角度依赖性散射
静态光散射
小角X射线散射
X射线衍射（XRD）
X线吸收光谱（XAS）
小角中子散射
流变学方法
离心液体沉淀
激光衍射
纳米粒子跟踪分析
参见粒度的指导原则
ISO/TR13097
ISO12025
ISO13322-1
形状
与尺寸无关的形状描述
与尺寸无关的形状描述的值分布
SEM, TEM，原子力显微镜（AFM）或 SPM图像
散射技术
spICP-MS
ISO16700
ISO13322-1
表面积
体积-和/或质量的比表面积
根据气体或液体等温吸附的方法（BET理论）
液体孔隙度
图像分析
激光诱导白炽
ISO15901-1
ISO15901-2
ISO15901-3
ISO18757
ISO13322-1
ISO9277
表面纳米结构
尺寸和几何形状
干涉
反射
扫描探针显微镜（SPM）及原子力显微镜（AFM）
扫描隧道显微镜（STM）
接触式轮廓曲线
非接触式轮廓曲线
ISO25178
表面化学
元素和分子丰度
反应性（化学反应率）
俄歇电子能谱
X射线光电子能谱（XPS）
二次离子质谱（SIMS）
三维原子探针断层
能量色散X射线光谱仪
电子能量损失光谱法（EELS）
低能离子能谱
拉曼和其他分子
光谱
ISO/TR14187
ISO18115
ISO24236
ISO15471
ISO18118
ISO/TR19319
ISO17973
表面电荷
每单位颗粒表面的正负电荷净数
Zeta电位
等电点
电泳光散射
电泳
电渗
电声振幅
胶体振动电流
ISO20998
ISO13099
溶解性/分散度
溶解性：
最大质量或可在指定的（或标准）的温度或压力下溶解在溶剂中的单位质量或体积的溶质浓度
分散度：
最大质量或在指定的（或标准）的温度和压力下的分散相的浓度存在于分散介质中的一个单位质量（溶剂）或分散体的单位体积（溶剂加上分散相）
没有用于评估纳米颗粒溶解性的具体方法。
用于纳米材料分离的切向流过滤，然后进行适当的检测，如ICP-MS（ISO10993-14）
用于评估纳米颗粒分散度的方法需基于粒度/粒度分布和聚集/团聚状态（见上文粒度部分）
ISO20998
ISO13099
五、纳米材料生物相容性/毒理学评价
本指导原则仅给出纳米材料生物相容性/毒理学评价的概述。
有关纳米材料生物相容性/毒理学评价的具体内容，将在本系列指导原则后续部分给出。
由于纳米材料的特性，使得其与常规材料在吸收、分布、代谢和排泄/清除（ADME）这些潜在的连续过程中不同，进而引起与常规材料诱导产生不同的生物相容性/毒理学反应，所以对纳米材料毒代动力学的研究，可指导生物相容性/毒理学的试验设计及结果解读。
（一）样品制备
样品制备是对医疗器械及其制造过程中使用的材料进行表征和生物学试验时的一个关键的多步骤过程。
应选用最终产品对器械进行有代表性取样的检测、产品浸提液的制备、制备的试验材料的贮存和稳定性。
具体内容详见GB/T16886.12有关部分。
应特别考虑含有或由纳米材料组成的医疗器械的样品制备（如纳米颗粒分散剂的应用代替浸提液）。
与非纳米材料或化学物质的试验相比较，纳米颗粒潜在的理化性质改变对样品制备提出了重大挑战。
影响因素包括纳米颗粒的表面特性增加了其反应性，聚集或团聚物的形成，通过水合作用改变分散系中的纳米颗粒，部分溶解或其他过程和微量的杂质对纳米颗粒理化特性和毒理学特性潜在的影响。
与其他类型的试验样品一样，纳米颗粒有吸附到容器表面的可能性。
扩散和重力沉降也会影响纳米材料到细胞的输送率。
纳米颗粒用于试验样品，确认剂量度量是非常重要的。
由于存在这些问题，有必要针对含纳米颗粒的器械制定可靠的样品制备方案。
在生物介质中可溶的纳米材料可能以分子形式存在于实验体系中，微溶或不溶的纳米材料可能以纳米颗粒的分散存在于实验体系中。
需要仔细分析来确定一个特殊的纳米材料在规定的实验条件下是完全分散，部分溶解（如一些金属）还是完全溶解，因为微粒材料的分散可能引起一种不同于从化学成分预测的分子或元素毒性的反应，可溶性的纳米颗粒可能出现与非纳米级可溶性材料相似的反应，如适用，除了自身溶解性，还应考虑到溶解速率。
因此，对于评估可溶性纳米材料或残留物/杂质的影响可使用常规浸提方法，对于难溶性或不溶性的纳米材料，可能需要通过物理或/和化学的方法（但不能改变纳米材料的理化性质和毒性），使纳米材料分散在液体中，以应用于对纳米材料进行的生物学评价和风险评估的大部分实验。
GB/T16886.12规定在使用浸提介质的情况下，应考虑到极性和非极性介质。
通常情况下，纳米颗粒分散应基于临床使用情况和可分散性来选择介质，大部分纳米颗粒分散系在极性溶液中制备和使用。
纳米颗粒的分散受纳米颗粒之间的相互作用和纳米颗粒与其所处环境相互作用影响，分散的纳米体不一定仅以原形存在，分散后形成二级物质可以以聚集物和团聚物的形式存在；纳米颗粒的粉末和气溶胶形式通过表面电荷或空间效应则变得不稳定，因此，纳米材料在生物学评价中获得有代表性和重复性结果的一个关键因素是试验样品的稳定性。
电解质浓度、pH、离子强度或分子成分（如血清蛋白等）对浸提液制备和/或原料和剂量分散有重大影响，因此，生物相容性/毒理学评价试验中应用的分散条件应与生理条件一致。
例如，体外哺乳动物细胞试验使用的浸提液必须是等渗，pH为7.4，二价离子和蛋白质的混合液。
如果不一致，需要说明合理的理由和科学依据。
纳米毒理学的剂量-反应关系可能不是传统的质量浓度，而是纳米颗粒数量或纳米材料/纳米颗粒总表面积单位。
因此，应该根据纳米材料的特性选择合适的剂量单位。
纳米颗粒的样品制备可能包括成品或供应商提供的原材料的表征和用于动物或体外试验的样品制备和贮存。
制备的具体方法可能因给药途径和纳米颗粒传递方法的不同而有差异。
在试验样品制备和给药中常见的内容包括：
——试验材料的鉴定、贮存和稳定性，包括批与批之间的差异性；
——试验介质的化学组成；
——适当的剂量度量的选择；
——原料分散剂制备的样品在给药之前的表征。
作为一般原则，样品制备的细节和方法选择的基本原理应该详细记录。
ISO/NPTR16196正在制定纳米材料的具体指导原则：
纳米技术-人造纳米材料的样品制备方法和计量学考虑的指导。
（二）毒代动力学
1.前言
与纳米材料相关的主要风险被认为与组成纳米材料个体的游离纳米颗粒、离子、或组分的存在或释放有关。
医疗器械中的纳米材料可以游离、固定或嵌入的方式存在，且在体内每种方式均有其各自释放纳米颗粒的潜能。
吸收、分布、代谢和排泄/清除（ADME）这些潜在的连续过程可以作为纳米材料的毒代动力学特点，可指导生物相容性/毒理学的试验设计及结果解读，其毒代动力学研究需要被视为含有纳米材料的医疗器械的毒理风险评估的一部分。
如果从医疗器械中释放的纳米材料可以被吸收、分布、代谢和/或排泄即需要进行毒代动力学的研究。
GB/T16886.16给出了关于如何开展毒代动力学研究的框架。
总体来讲，该标准适用于纳米材料，但要考虑纳米材料的特性，在接触途径、剂量策略、动物模型、研究周期和分析技术/手段等方面需要进行调整。
据文献报道，纳米颗粒的理化性质、表面特性（化学和电荷）、接触途径、动物种属、剂量和浸提方法等因素都会影响动物模型的毒代动力学。
当测试系统中使用了纳米材料，要清楚有些特性需要被确定，这些特性可能会受到周围环境的影响，并且在很大程度上依赖于周围的环境（例如存在组织培养基、血液/血清、蛋白质）。
与环境的这种相互作用可能导致纳米材料本身的瞬时性衍化，例如通过获得/脱落的蛋白涂层、纳米颗粒团聚/聚集物的形成，以及纳米材料的其他变化。
这样的变化可能会影响纳米材料的特性及毒代动力学参数，从而影响其毒理学特征。
因此，如果风险评估的结论是需要进行毒代动力学研究，申请人需说明影响该研究的设计、呈现的结果和结果解释的因素。
2．毒代动力学的影响因素
a）理化性质
几项研究显示，尺寸和尺寸分布、形状、电荷、附聚和聚集、亲水性以及表面结构等纳米材料的特性可以影响ADME。
例如，据
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