醫(yī)療器械中應用的納米材料安全性評價研究進展

葉晴 柯軍 盧翰生 洪黃立 廣東省醫(yī)療器械質量監(jiān)督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

內(nèi)容提要： 結合毒理學和毒代動力學，以納米材料的表征、暴露途徑、毒代動力學和毒理學分析建立了納米材料醫(yī)療器械的安全性評價框架，并確定了納米材料醫(yī)療器械的安全性評價流程，包括納米顆粒釋放的概率、納米粒子的分布、毒理學評估以及風險評估。展望了納米材料醫(yī)療器械安全性研究的發(fā)展趨勢，以使得納米材料醫(yī)療器械更加的安全。

納米技術與材料的誕生不但解決了醫(yī)療材料方面缺失的問題，也在醫(yī)療器械方面使醫(yī)療技術水平上了一個大的臺階。由于納米材料具有不同于常規(guī)材料的特殊性質，比如比表面積大、抗菌活性強、小尺寸效應以及獨特的粒徑所具備的物理、機械和生物特性，使得傳統(tǒng)的材料表征、安全性和有效性評價體系可能不（或者不完全）適合納米醫(yī)療器械的安全風險控制。因此需要對納米材料的安全評估和管理方式進行特殊考慮。本文對于應用納米材料醫(yī)療器械的安全性評估和控制安全風險的管理方式進行了綜述。

1.醫(yī)療器械用納米材料的安全性評價

納米材料具有獨特的固體微粒和物理化學特性使得其具備不同于傳統(tǒng)材料的獨特的物理和化學效應。其主要具有體積效應、表面效應、量子尺寸、量子隧道和介電限域等五大效應[1]。這些獨特的效應使得納米材料一經(jīng)問世就得到了廣泛的關注，并且應用于各個領域。目前，國際上對納米材料在醫(yī)療器械領域已有廣泛應用。由于納米材料自身特殊的性質，在應用過程中要更加注重其引起的生物安全性問題。首先，納米顆粒結構特殊，能夠輕易地進入人體，并且能夠穿透細胞膜進入細胞，引起類似環(huán)境超細顆粒物所導致的炎癥反應。其次，納米材料的比表面積巨大，表面活性高，納米顆粒的這一特性可能導致其對生物體毒性效應的放大。此外，納米材料的主要暴露途徑是通過呼吸道或者皮膚，接觸納米材料的機會就大得多[2]。有研究者評估了國內(nèi)市場在售的幾款含銀敷料的細胞毒性，結果表明，絕大部分的細胞毒性為Ⅲ級及以上，生物相容性差[3]。因此，在應用過程中要更加注重其引起的生物安全性問題，加強對其監(jiān)管，嚴格評估其安全性和有效性。

1.1 醫(yī)療器械用納米材料的表征

納米材料表現(xiàn)出獨特的性能并且打破了傳統(tǒng)的“劑量-效應”關系，其作用效應和毒理效應與納米材料的尺寸、形狀、表面形貌和團聚/聚集狀態(tài)等多重因素有關，而這些往往是直接相關的[4]。因此，在含納米材料的醫(yī)療器械的設計、開發(fā)和最終生產(chǎn)的所有階段，必須要對納米材料的這些特性進行精確的識別和表征，進而使得納米材料及其制品具有質量可控性。評估含有納米材料的醫(yī)療器械安全性的第一步是對用作醫(yī)療器械生產(chǎn)起始材料的納米材料進行化學鑒定和表征，包括鑒定可能的雜質。表征過程中要找出納米材料的特征數(shù)據(jù)以利于對最終的醫(yī)療器械產(chǎn)品進行表征，并且對于相似的納米材料或者同一納米材料的不同形式，即使有相似的物理化學性質也要進行單獨的安全性評價。

1.2 醫(yī)療器械用納米材料的暴露途徑

納米醫(yī)學中使用了各種各樣的納米材料，包括基于脂質、蛋白質、DNA/RNA或其他天然材料和物質的材料，以及基于聚合物的可降解和不可降解的材料[5]。醫(yī)療器械中使用的可能含有納米材料的物質是顏料和填料，諸如碳納米管、金剛石、炭黑和碳纖維等各種已知形式的碳也經(jīng)常被使用。此外，還使用了許多不同種類的金屬和金屬氧化物，以及二氧化硅、量子點和一些不容易歸入更大類別的特定類型。一般來說，暴露的最高可能性與由“游離”納米材料組成的設備或作為醫(yī)療設備表面涂層的納米材料的釋放/松動有關。納米材料作為醫(yī)療器械涂層存在，以及由于含有納米材料的醫(yī)療器械的（生物）降解而產(chǎn)生的化學分解或磨損過程。在某些應用中，醫(yī)療器械必須在應用過程中進行研磨、拋光或成形，例如牙科填充物。當納米材料固定在醫(yī)療器械的表面（例如作為植入物的涂層）或嵌入醫(yī)療器械的材料中時，其中的納米材料也可能由于降解或磨損過程造成暴露。

不含納米材料的醫(yī)療器械的降解也可能會產(chǎn)生納米級顆粒。固體或多孔的塊狀材料都可以由于水解或催化作用而降解，最終降解可能導致產(chǎn)生納米粒子。在材料的研磨或磨損過程中，納米顆?？赏ㄟ^機械加工、風化、洗滌、接觸和焚燒等方式進行釋放[6]。在醫(yī)療器械的拋光過程中也會產(chǎn)生納米顆粒，在實驗室表面研磨或拋光牙科復合材料后的碎屑中以及牙科修復后的氣溶膠中檢測到納米尺寸范圍的顆粒[7]。而且釋放的納米材料不一定包含醫(yī)療器械中的原始納米材料，它們可能被基質材料覆蓋[8]。此外，當納米材料與基質結合時，其毒性可能不同于原始納米材料的毒性。

1.3 醫(yī)療器械用納米材料的毒代動力學評價

毒代動力學試驗可以提供納米材料在人體中的行為和作用方式的信息，并且可以讓人們對受到納米材料毒性侵害的靶器官有深入的了解。與其他物質一樣，納米材料的毒代動力學特性可以通過四個過程來描述：吸收、分布、代謝和排泄（ADME）[4]。①吸收：即納米材料進入人體的方式，這與所使用的醫(yī)療器械有關，任何的進入途徑都是有可能的。對于溶解的化學物質，組織的吸收和釋放通常取決于血液濃度，并且通常會達到血液和器官濃度之間的平衡。②分布：與非納米材料相比，納米材料的性質可能會改變毒代動力學和組織分布，因此評估納米材料在典型分布器官中的存在尤其重要，這些器官具有增加納米顆粒的吸收能力。納米顆粒的生物分布受到許多因素的影響，包括尺寸、表面電荷和表面組成，如蛋白質結合和涂層。③代謝和排泄：納米材料的代謝和排泄目前是研究的熱點和難點，Landsiedel[9]報道了某些納米顆?？梢员淮x，但是對于固體顆粒的納米材料如何進行代謝目前沒有明確的結論。納米材料的毒代動力學研究，通常采用納米材料的化合物或者本體形式的已知檢測方法，其重點是納米材料檢測系統(tǒng)是否可用。

1.4 醫(yī)療器械用納米材料的毒理學評價

含有納米材料的單個醫(yī)療器械的毒性測試取決于其外部和內(nèi)部暴露的可能性。但是，目前可用的測試方法，無論是體外還是體內(nèi)，都沒有針對納米材料進行過專門驗證。目前只有少數(shù)硅基模型可用于納米材料[10]。與可溶性化學品不同，納米材料通常以不溶性或部分可溶性納米顆粒和/或更大的團聚體和聚集體的懸浮/分散體存在，這可能會影響測試系統(tǒng)。由于納米材料可能獲得新的“生物特性”，即通過生物分子（生物電暈）在其表面的吸附獲得新的特性，因此在毒理學研究期間，評估這些物質之間的相互作用以及它們?nèi)绾闻c生物體的生理反應相互作用是至關重要的[11]。此外，納米材料可能會誘發(fā)一些意想不到的毒性，例如銀納米線誘導的自噬標記物。納米材料的危害性可能源于其尺寸相關的能力，即容易進入生物系統(tǒng)，并通過形成新的蛋白質復合物或增強蛋白質降解來改變蛋白質的結構，從而具有毒性。由于納米材料的比表面積較大，其毒性評估若采用重量或體積單位（如mg/kg或mg/L）來衡量和表示可能是不適用的，可以采用比表面積或粒子數(shù)描述可能的劑量-效應關系。

2.醫(yī)療器械用納米材料的風險評估

應用納米材料的醫(yī)療器械風險評估最重要的因素是納米材料從醫(yī)療器械中釋放的可能性，應按照GB/T 16886.1-2011《醫(yī)療器械生物學評價 第1部分：風險管理過程中的評價與試驗》的要求進行風險評估[12]。根據(jù)獲得的納米材料特性、用途或醫(yī)療器械的信息以及根據(jù)上文的敘述，提出了如下的納米顆粒風險評估的方法。

第一階段：納米顆粒釋放的概率。此階段的目的是考慮納米顆粒釋放的概率，以評估是設備固有特性導致的還是由于植入后的磨損導致的潛在暴露。當納米材料釋放的概率很大或者釋放量未知時，必須要對顆粒的物理化學性質進行評估，評估過程中的納米顆粒必須要與實際場景中的一致。目前可確定的會導致納米顆粒釋放的場景有機械加工，風化，洗滌，接觸和焚燒。另外納米顆粒的物理化學性質如水溶性、粒度分布和形狀、聚結和解聚的能力等性質需要考慮。當確定了納米材料的釋放概率、釋放速率和數(shù)量時，需要考慮醫(yī)療器械與人體接觸的潛在持續(xù)時間，因此需要進行進一步的評估。

第二階段：納米粒子的分布和持久性。該階段的主要目的是根據(jù)上述潛在暴露概率，確定顆粒的毒代動力學，以解決下一個階段所需的毒性試驗。另一個需要考慮的問題是粒子釋放到生物介質中的持久性/穩(wěn)定性。納米顆粒一旦進入體循環(huán)，將對生物體產(chǎn)生嚴重的影響，因此必須評估納米顆粒進入體循環(huán)的可能性及其分布。顆粒在特定組織中的數(shù)量和持續(xù)時間是影響發(fā)生不良反應可能性的重要因素，在可能出現(xiàn)釋放的情況下，可能需要對其進行毒代動力學研究，以充分描述內(nèi)部暴露的特征。

第三階段：危害評估（毒理學評估）。如果在第一階段和第二階段中未確定微粒釋放，則可依據(jù)現(xiàn)行的檢測方法評估醫(yī)療器械的局部效應。假設有納米顆粒釋放出來，則首先需要確定釋放的位置，這是至關重要的。然后確定是否進入體循環(huán)，如果不進入體循環(huán)則可在體外系統(tǒng)中初步評估其效應。如果納米顆粒進入體循環(huán)，則傳統(tǒng)的毒性評估方案需要根據(jù)具體的納米顆粒進行適當?shù)恼{(diào)整。

第四階段：風險特征描述/風險評估。納米材料引起的毒性與劑量有關，需要特別注意劑量-反應關系。微小量的納米顆粒可能對生物體具有微弱的影響，一旦達到一定的劑量則會對生物體產(chǎn)生毒性。在評估納米顆粒毒性風險時需要將靶器官中發(fā)現(xiàn)的微粒水平與劑量-反應關系進行比較，這樣才能獲得較準確的毒性風險。

3.我國醫(yī)療器械用納米材料的風險評估現(xiàn)狀

目前，我國在納米材料安全性方面的研究已經(jīng)取得了一些初步的研究結果。但是我國關于納米材料風險評估的研究與發(fā)達國家相比還有一定差距，如缺乏對納米材料生產(chǎn)、使用、轉化等整個生命周期的了解，對通過吸入途徑進入體內(nèi)的納米材料的安全性問題研究較多而其他途徑研究很少，缺乏合適的體外實驗毒理學終點及確定劑量的標準等。

我國是納米技術標準化技術委員會的主席顧問組亞洲代表國，國家納米科學中心參與了多項ISO標準的起草工作，其牽頭起草的ISO/IEC TS 13278《納米技術-采用感應耦合等離子質譜法測定碳納米管樣品的雜質元素》已于2011年10月31日發(fā)布。中國食品藥品檢定研究院參與了多項納米生物材料類醫(yī)療器械的制修訂工作[13]。但是具體的制樣方法，試驗方法，評價項目等多項具體的評價項目存在爭議，評價指標和檢測方法還需要進一步的完善和驗證。

4.小結

隨著越來越多的新型納米材料應用于醫(yī)療器械領域，納米材料醫(yī)療器械的安全性問題也越來越受到科研人員和企業(yè)的重視，尤其是納米材料的安全性評價方面。通過建立科學的適當?shù)脑u價體系，可以為政府制訂納米材料醫(yī)療器械安全風險，監(jiān)管模式和指導原則等提供技術支持。從而推動納米材料醫(yī)療器械行業(yè)的健康發(fā)展。建立納米顆粒毒性數(shù)據(jù)庫，發(fā)展納米毒理學，同時涉及風險管理和倫理等問題，以使得納米材料醫(yī)療器械更加的安全。