應(yīng)用納米技術(shù)和納米材料醫(yī)療器械評(píng)價(jià)的相關(guān)問題

陳寬

納米技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)于醫(yī)療器械技術(shù)的進(jìn)步具有極為重大的意義。納米技術(shù)為人類提供了在納米尺度上對(duì)材料進(jìn)行加工和制造的手段，納米物質(zhì)具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如高比表面積、可控的親水/疏水性質(zhì)、多功能性、主動(dòng)/被動(dòng)靶向、尺寸排阻等，在新型藥物投送系統(tǒng)、體外診斷試劑、植入物和組織工程產(chǎn)品中均具有廣闊的應(yīng)用前景。與同樣化學(xué)組成的傳統(tǒng)物質(zhì)相比，納米物質(zhì)可以通過多種方式進(jìn)入人體，如吸入，根據(jù)尺寸和形狀的不同，吸入的納米物質(zhì)可能沉積在呼吸道和肺組織中，并可以經(jīng)由肺上皮細(xì)胞進(jìn)入血液并到達(dá)遠(yuǎn)端組織［1］。某些納米物質(zhì)，如納米二氧化錳，可以通過嗅神經(jīng)進(jìn)入腦組織［2］。而這一方式是傳統(tǒng)物質(zhì)所無法實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)使用納米技術(shù)或包含納米材料的醫(yī)療器械進(jìn)行有效監(jiān)管，首先應(yīng)做到正確識(shí)別產(chǎn)品生產(chǎn)過程是否使用了納米技術(shù)或納米材料。FDA在其指導(dǎo)原則中［3］，強(qiáng)調(diào)其監(jiān)管產(chǎn)品范圍中對(duì)是否應(yīng)用納米技術(shù)的考慮:(1)所含材料是否在納米尺度(1～100 nm);(2)所含材料是否具有依賴尺寸的物理、化學(xué)，或者生物性質(zhì)，甚至可以超出納米尺度范疇，上限可達(dá)1 000 nm。除尺寸依賴的性質(zhì)外，F(xiàn)DA還強(qiáng)調(diào)了“人造”材料，即將那些天然形成的以及無意之間偶然產(chǎn)生的，尺寸在納米尺度的物質(zhì)排除在外。

1 應(yīng)用納米材料的醫(yī)療器械技術(shù)監(jiān)管中遇到的問題及研究進(jìn)展

1.1 納米材料的鑒別和表征 目前，由于不斷有研究工作揭示出與納米材料相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。企業(yè)為規(guī)避監(jiān)管，可能不會(huì)宣稱其產(chǎn)品使用了納米材料或者在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中應(yīng)用了納米技術(shù)。因?yàn)閲?guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局早在2006年就將納米產(chǎn)品從Ⅱ類升級(jí)為Ⅲ類，并對(duì)其安全性和有效性進(jìn)行審慎的考察。因此，企業(yè)并不以納米技術(shù)作為其產(chǎn)品的主要宣傳點(diǎn)，在這類情況中，由于納米物質(zhì)具有某些優(yōu)異性能，或者在生產(chǎn)工藝中需要采用納米技術(shù)，從而可能產(chǎn)生一批沒有貼納米標(biāo)簽的，實(shí)質(zhì)上的納米產(chǎn)品。

對(duì)于此類產(chǎn)品，在技術(shù)審評(píng)工作中，首先要求審評(píng)人員具備一定的專業(yè)知識(shí)，能夠從企業(yè)遞交的注冊(cè)資料中準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品中是否有納米物質(zhì)成分，或者在生產(chǎn)中采用了納米技術(shù)。為了準(zhǔn)確鑒別醫(yī)療器械中是否使用了納米材料，證明等同性非常重要。化學(xué)成分的相似性并不足以證明納米材料的等同性，因?yàn)榧{米材料是否呈現(xiàn)出特定性質(zhì)可能取決于納米材料的化學(xué)成分和形狀，和(或)納米材料的來源(供貨方)。當(dāng)判定了產(chǎn)品確實(shí)是納米產(chǎn)品之后，對(duì)于其安全性和有效性的把握，需要具備必要的納米表征手段知識(shí)。對(duì)含有納米材料的醫(yī)療器械的生物學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)要求對(duì)納米材料進(jìn)行全面表征。因?yàn)榧{米材料的毒性，不僅取決于其化學(xué)成分，也與其粒度(粒度分布)、長(zhǎng)徑比、形狀、表面形貌、表面電勢(shì)、表面化學(xué)、親水(疏水性)、團(tuán)聚(聚集)態(tài)等因素密切相關(guān)［4-11］。因此，對(duì)于某些產(chǎn)品，可能需要根據(jù)掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡、電感耦合等離子質(zhì)譜等表征手段所獲得的圖像和數(shù)據(jù)來判斷其安全性和有效性。

應(yīng)該根據(jù)納米材料的類型和形式，以及器械的預(yù)期用途來選取表征方法。對(duì)特定物理化學(xué)參數(shù)的表征通常可采取多種方法。單一的表征方法可能無法提供對(duì)于參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估(例如:粒度分布、表面成分)。在該類情況下，如果可行，可能需要采取補(bǔ)充方法來對(duì)需要表征的性質(zhì)進(jìn)行充分評(píng)估，即采用兩種獨(dú)立的表征方法。需要特別注意的是，用不同的方法獲取的有關(guān)特定性質(zhì)的結(jié)果不能直接進(jìn)行對(duì)比。例如，正如指導(dǎo)性文件［12，13］所指出的，對(duì)于粒徑測(cè)定，應(yīng)至少采用兩種顯微鏡技術(shù)(例如:透射電鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡)。

為了對(duì)使用納米技術(shù)的醫(yī)療器械進(jìn)行可靠的表征，需要毒理學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)和其他專業(yè)領(lǐng)域的專家之間的跨專業(yè)合作。

1.2 納米材料劑量 用于毒理學(xué)研究的劑量水平通常是以質(zhì)量濃度為基礎(chǔ)。然而，納米材料的多個(gè)屬性可能會(huì)影響其毒理性質(zhì)。普遍認(rèn)為，除了質(zhì)量濃度以外，還應(yīng)使用包括表面積和數(shù)量濃度在內(nèi)的其他參數(shù)來充分表征納米材料劑量。

在確定用于納米材料體外研究的毒理學(xué)相關(guān)的劑量時(shí)，應(yīng)該考慮可分沉淀物的可能性［14-16］。小納米顆粒(例如:水動(dòng)力學(xué)直徑＜40 nm)與培養(yǎng)細(xì)胞層之間的接觸主要取決于擴(kuò)散和對(duì)流力。由于沉降力的額外影響，在細(xì)胞培養(yǎng)基中形成的稍大的納米材料和納米材料聚集體的沉淀速度更快。這些因素，以及與蛋白質(zhì)和培養(yǎng)基其他成分的相互作用，可能會(huì)影響直接接觸培養(yǎng)細(xì)胞的顆粒的數(shù)量。

應(yīng)該根據(jù)具體情況評(píng)價(jià)可分沉淀物出現(xiàn)的可能性。若有必要，應(yīng)開展對(duì)于體外細(xì)胞劑量的分析性或計(jì)算性評(píng)估［15，16］。目前，對(duì)介質(zhì)中的劑量(分散/溶液濃度)或?qū)嶋H的納米顆粒細(xì)胞攝入/接觸量是否應(yīng)該被用于劑量本身的表達(dá)還存在爭(zhēng)議。

1.3 納米材料參照樣品 試驗(yàn)結(jié)果的可靠性在一定程度上取決于是否可獲得適合的參照樣品。參照樣品指擁有一項(xiàng)或多項(xiàng)特性參數(shù)、具有足夠可重復(fù)性的已經(jīng)確認(rèn)的材料。可利用該材料或物質(zhì)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，評(píng)估測(cè)量方法或?yàn)椴牧腺x值。

納米尺度參照樣品的最初研發(fā)重點(diǎn)在于將其用于校準(zhǔn)試驗(yàn)儀器，而不是作為生物響應(yīng)基準(zhǔn)進(jìn)行參照樣品研發(fā)。開發(fā)一種廣泛接受的參照樣品，包括在適合不同的試驗(yàn)系統(tǒng)的陽性對(duì)照與陰性對(duì)照納米顆粒方面達(dá)成共識(shí)，已經(jīng)成為納米材料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一個(gè)關(guān)鍵性要求［17］。雖然參照樣品對(duì)于評(píng)估醫(yī)療器械中應(yīng)用的納米材料至關(guān)重要，但是因?yàn)榇嬖趯?shí)際困難，研發(fā)進(jìn)度還是很慢。

認(rèn)識(shí)到納米材料代表性樣本的可用性對(duì)于納米物質(zhì)安全試驗(yàn)的可重復(fù)性和可靠性至關(guān)重要。ISO/TC 229 nm技術(shù)委員會(huì)已提出使用“代表性試驗(yàn)材料”，并且正對(duì)其進(jìn)行討論。代表性試驗(yàn)材料的擬議定義為“來自同一批的物質(zhì)，在其一個(gè)或多個(gè)特定性質(zhì)方面具有同質(zhì)性和穩(wěn)定性，被認(rèn)為適合于開發(fā)用于針對(duì)除已表現(xiàn)出的同質(zhì)性和穩(wěn)定性以外的性質(zhì)的試驗(yàn)方法［18］”。目前這種方法已被應(yīng)用于OECD人造納米材料工作組的納米材料安全性試驗(yàn)合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心代表性納米材料庫(kù)中的代表性納米材料來進(jìn)行。

1.4 納米材料樣品制備 納米材料體積小，并且其物理化學(xué)特性可能發(fā)生改變，這使得與宏觀(非納米尺度)顆?；蚧瘜W(xué)物質(zhì)的試驗(yàn)相比，納米材料的樣品制備會(huì)遇到重大的挑戰(zhàn)。帶來挑戰(zhàn)的因素包括能加強(qiáng)納米材料反應(yīng)性的表面性質(zhì);聚集或團(tuán)聚顆粒的形成;納米顆粒在通過水合作用，部分溶解或其他過程的分散中發(fā)生的轉(zhuǎn)變;以及低濃度水平污染物對(duì)納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)和毒理性質(zhì)的強(qiáng)烈潛在影響。如同其他類型的試驗(yàn)樣品，納米物體有可能吸附到容器表面。因此，確認(rèn)標(biāo)稱濃度非常重要。

對(duì)于研發(fā)針對(duì)含有納米材料的醫(yī)療器械的可靠的樣品制備方案來說，必須認(rèn)識(shí)到這些問題。相比于使用常規(guī)材料的醫(yī)療器械，解決這些問題也許需要極大提高直接針對(duì)樣品制備的研發(fā)力度，并制定處理策略。

由于其獨(dú)特的表面性質(zhì)，納米材料對(duì)用于樣品制備的技術(shù)表現(xiàn)出極強(qiáng)的敏感性。顆粒之間以及顆粒與周圍環(huán)境之間的相互作用會(huì)影響顆粒的分散。分散的納米材料不一定呈現(xiàn)單分散顆粒的形式。呈聚集形式的單分散顆粒(由強(qiáng)結(jié)合或強(qiáng)融合的顆粒組成的顆粒)和呈團(tuán)聚形式的非單分散顆粒(弱結(jié)合顆粒，聚集體，或兩者的混合體)可以出現(xiàn)在以液體、粉末和氣溶膠形式出現(xiàn)的納米材料中，除非通過表面電荷或立體效應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理。因此，樣品中納米材料的分散狀態(tài)和粒度分布可能隨時(shí)間變化。這一屬性對(duì)于制備浸提液和(或)儲(chǔ)存溶液和劑量分散溶液有著非常重要的意義，pH值、離子強(qiáng)度或分子成分的輕微調(diào)整就可能顯著改變顆粒分散度?；谠撛颍茉嚻返姆€(wěn)定性對(duì)于在生物評(píng)價(jià)中獲取具有代表性的和可重復(fù)性的結(jié)果來說顯得尤為重要。

納米材料的樣品制備可能包含對(duì)于制造商生產(chǎn)的或供應(yīng)商提供的材料的表征，以及制備用于動(dòng)物試驗(yàn)或體外實(shí)驗(yàn)的儲(chǔ)存溶液和劑量溶液。制備細(xì)節(jié)可能根據(jù)給藥途徑和遞送方法的不同而有所差別。

1.5 納米材料對(duì)于生物相容性研究試驗(yàn)的影響 將納米材料用于試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到需要測(cè)定的一些性質(zhì)可能會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，并且在很大程度上依賴于周圍環(huán)境(例如:組織培養(yǎng)基、血液/血清、蛋白質(zhì)存在)。與環(huán)境的相互作用可能導(dǎo)致納米材料本身發(fā)生暫時(shí)性改變，如通過獲得/脫落蛋白涂層，形成納米顆粒團(tuán)聚/聚集，或納米材料其它方面的變化。由于這樣的變化可能會(huì)影響納米材料的特性，因此會(huì)影響納米材料的毒性特征。因此，納米材料應(yīng)完全根據(jù)制造出來的形態(tài)/組成，以及最終用戶所接收的形式(如果該形式包含自由納米材料)進(jìn)行表征。最后，還應(yīng)該對(duì)最終產(chǎn)品中的納米材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于生物安全性評(píng)價(jià)，需要將納米材料分散在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些介質(zhì)與納米材料之間的相互作用可嚴(yán)重影響到納米材料在試驗(yàn)系統(tǒng)中的表現(xiàn)。應(yīng)該在試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)過程中考慮該因素。

納米物體在生物環(huán)境中很容易將蛋白質(zhì)迅速吸附在其表面，形成所謂的蛋白質(zhì)“冕暈”。據(jù)報(bào)道，冕暈是由兩層結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層是由強(qiáng)結(jié)合的蛋白質(zhì)組成，而外層是由快速交換的分子組成［19］。蛋白質(zhì)冕暈并不是靜態(tài)的，可能根據(jù)納米材料所處環(huán)境的不同而發(fā)生改變。

作為有機(jī)體內(nèi)的異物，納米材料的歸宿為從被吸收、分布、代謝到排泄/消除。眾所周知，納米材料表現(xiàn)出與其對(duì)應(yīng)的常規(guī)材料不同的物理化學(xué)特性(力學(xué)、化學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)或電學(xué)特性)，因此，可以合理的期望納米尺度材料會(huì)影響生物學(xué)行為，并且生物學(xué)行為會(huì)引發(fā)在細(xì)胞、亞細(xì)胞和生物分子層面(例如:基因和蛋白質(zhì))包括細(xì)胞攝取的各種不同反應(yīng)。因此，與由常規(guī)材料引發(fā)的毒理學(xué)反應(yīng)所不同的各種毒理學(xué)反應(yīng)可能在接觸到納米材料后才會(huì)顯現(xiàn)。應(yīng)該注意的是，不僅蛋白質(zhì)會(huì)以冕暈形式參與這個(gè)過程，而且脂質(zhì)也會(huì)參與這個(gè)過程［20］。

因此，毒物動(dòng)力學(xué)研究應(yīng)被視作針對(duì)含有納米材料的醫(yī)療器械開展的毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一個(gè)部分。

當(dāng)接觸到生物環(huán)境的時(shí)候，納米材料會(huì)與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，這種相互作用的定量和定性水平取決于生理環(huán)境的性質(zhì)(例如，血液、血漿、細(xì)胞質(zhì)等)和納米材料的特性。同樣，當(dāng)接觸到試驗(yàn)介質(zhì)的時(shí)候，納米材料也會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用并且/或者也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生干擾，這取決于其本身的性質(zhì)和所接觸的條件;跟相應(yīng)的常規(guī)材料相比，它們可能會(huì)有不同的表現(xiàn)。因此，對(duì)于任何被設(shè)計(jì)用來對(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法，對(duì)其進(jìn)行專門的驗(yàn)證是十分有必要的。試驗(yàn)方法的選擇將取決于納米材料的特性。

在納米材料的毒性試驗(yàn)中，有幾個(gè)已知的風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)該避免。對(duì)納米材料的毒性和最終結(jié)局了解的還不多，所以一些未知的隱患還會(huì)在將來逐漸顯露出來。由于納米材料的毒性試驗(yàn)存在許多不確定性，所以公開透明變得至關(guān)重要。

潛在的生物相互作用不是直接取決于分子的濃度或數(shù)量，而是取決于納米顆粒本身。在納米毒理學(xué)中，劑量反應(yīng)關(guān)系的單位可能不是傳統(tǒng)意義的質(zhì)量單位，而可能是以納米顆粒的數(shù)量或者他們的總表面積來表示劑量。除了表征以外，還應(yīng)該以文件的形式記錄下實(shí)驗(yàn)條件的詳細(xì)情況。

2 納米材料標(biāo)準(zhǔn)化工作

對(duì)于醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)工作而言，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就是準(zhǔn)繩和依據(jù)。做好采用納米技術(shù)或包含納米物質(zhì)產(chǎn)品的技術(shù)審評(píng)工作，標(biāo)準(zhǔn)同樣十分重要。然而，當(dāng)前國(guó)際上納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作也只是處于起步階段，我國(guó)是全世界最早開始從國(guó)家層面制定納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的，但也僅僅是從2003年全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)成立才開始［21］。國(guó)際上，ISO納米技術(shù)委員會(huì)TC 229于2005年成立［21］，并自2006年起開始制定針對(duì)納米材料內(nèi)毒素的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 29701［22］。美國(guó)材料測(cè)試協(xié)會(huì)ASTM也于同年成立了E 56納米技術(shù)委員會(huì)，并相繼制定出了E 2524-08《納米顆粒溶血性質(zhì)分析的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》，E 2525-08《評(píng)估納米顆粒材料對(duì)小鼠粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落形成影響的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》以及E 2526-08《評(píng)估納米顆粒材料在豬腎細(xì)胞和人肝癌細(xì)胞中的細(xì)胞毒性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》。ISO TC194的第17工作組也為ISO 10993系列標(biāo)準(zhǔn)制定了第22部分，即《醫(yī)療器械的生物學(xué)評(píng)價(jià)-納米技術(shù)》。

以上這些標(biāo)準(zhǔn)制定工作為我們開展針對(duì)采用納米技術(shù)的醫(yī)療器械產(chǎn)品的審評(píng)工作提供了參考，但更多的工作需要審評(píng)人員與來自各個(gè)學(xué)科的專家密切合作。納米產(chǎn)品種類繁多，不可能有一個(gè)單一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。還要我們?cè)诮窈蟮膶徳u(píng)工作中多總結(jié)，從中提煉出審評(píng)要點(diǎn)，并進(jìn)而形成指導(dǎo)原則，與專家們一道把握好納米技術(shù)醫(yī)療器械的審評(píng)工作。

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