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

內(nèi)容提要： 結(jié)合毒理學(xué)和毒代動力學(xué)，以納米材料的表征、暴露途徑、毒代動力學(xué)和毒理學(xué)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(xué)評估以及風(fēng)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(shù)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(shù)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(zhì)，比如比表面積大、抗菌活性強(qiáng)、小尺寸效應(yīng)以及獨(dú)特的粒徑所具備的物理、機(jī)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(fēng)險控制。因此需要對納米材料的安全評估和管理方式進(jìn)行特殊考慮。本文對于應(yīng)用納米材料醫(yī)療器械的安全性評估和控制安全風(fēng)險的管理方式進(jìn)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(dú)特的固體微粒和物理化學(xué)特性使得其具備不同于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特的物理和化學(xué)效應(yīng)。其主要具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸、量子隧道和介電限域等五大效應(yīng)[1]。這些獨(dú)特的效應(yīng)使得納米材料一經(jīng)問世就得到了廣泛的關(guān)注，并且應(yīng)用于各個領(lǐng)域。目前，國際上對納米材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。由于納米材料自身特殊的性質(zhì)，在應(yīng)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(jié)構(gòu)特殊，能夠輕易地進(jìn)入人體，并且能夠穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，引起類似環(huán)境超細(xì)顆粒物所導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)。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(dǎo)致其對生物體毒性效應(yīng)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(jī)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(xì)胞毒性，結(jié)果表明，絕大部分的細(xì)胞毒性為Ⅲ級及以上，生物相容性差[3]。因此，在應(yīng)用過程中要更加注重其引起的生物安全性問題，加強(qiáng)對其監(jiān)管，嚴(yán)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(dú)特的性能并且打破了傳統(tǒng)的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，其作用效應(yīng)和毒理效應(yīng)與納米材料的尺寸、形狀、表面形貌和團(tuán)聚/聚集狀態(tài)等多重因素有關(guān)，而這些往往是直接相關(guān)的[4]。因此，在含納米材料的醫(yī)療器械的設(shè)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(jìn)行精確的識別和表征，進(jìn)而使得納米材料及其制品具有質(zhì)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(jìn)行化學(xué)鑒定和表征，包括鑒定可能的雜質(zhì)。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(jìn)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(xué)性質(zhì)也要進(jìn)行單獨(dú)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(xué)中使用了各種各樣的納米材料，包括基于脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA/RNA或其他天然材料和物質(zhì)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(zhì)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(shè)備或作為醫(yī)療設(shè)備表面涂層的納米材料的釋放/松動有關(guān)。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(xué)分解或磨損過程。在某些應(yīng)用中，醫(yī)療器械必須在應(yīng)用過程中進(jìn)行研磨、拋光或成形，例如牙科填充物。當(dāng)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(dǎo)致產(chǎn)生納米粒子。在材料的研磨或磨損過程中，納米顆粒可通過機(jī)械加工、風(fēng)化、洗滌、接觸和焚燒等方式進(jìn)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(fù)合材料后的碎屑中以及牙科修復(fù)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(zhì)材料覆蓋[8]。此外，當(dāng)納米材料與基質(zhì)結(jié)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(xué)評價

毒代動力學(xué)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(zhì)一樣，納米材料的毒代動力學(xué)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(jìn)入人體的方式，這與所使用的醫(yī)療器械有關(guān)，任何的進(jìn)入途徑都是有可能的。對于溶解的化學(xué)物質(zhì)，組織的吸收和釋放通常取決于血液濃度，并且通常會達(dá)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(zhì)可能會改變毒代動力學(xué)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(zhì)結(jié)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(jìn)行代謝目前沒有明確的結(jié)論。納米材料的毒代動力學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)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(tuán)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(xué)研究期間，評估這些物質(zhì)之間的相互作用以及它們?nèi)绾闻c生物體的生理反應(yīng)相互作用是至關(guān)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(dǎo)的自噬標(biāo)記物。納米材料的危害性可能源于其尺寸相關(guān)的能力，即容易進(jìn)入生物系統(tǒng)，并通過形成新的蛋白質(zhì)復(fù)合物或增強(qiáng)蛋白質(zhì)降解來改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，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(yīng)關(guān)系。

2.醫(yī)療器械用納米材料的風(fēng)險評估

應(yīng)用納米材料的醫(yī)療器械風(fēng)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(yīng)按照GB/T 16886.1-2011《醫(yī)療器械生物學(xué)評價 第1部分：風(fēng)險管理過程中的評價與試驗》的要求進(jìn)行風(fēng)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(fēng)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(shè)備固有特性導(dǎo)致的還是由于植入后的磨損導(dǎo)致的潛在暴露。當(dāng)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(xué)性質(zhì)進(jìn)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(dǎo)致納米顆粒釋放的場景有機(jī)械加工，風(fēng)化，洗滌，接觸和焚燒。另外納米顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)如水溶性、粒度分布和形狀、聚結(jié)和解聚的能力等性質(zhì)需要考慮。當(dāng)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(jìn)行進(jìn)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(xué)，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(zhì)中的持久性/穩(wěn)定性。納米顆粒一旦進(jìn)入體循環(huán)，將對生物體產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此必須評估納米顆粒進(jìn)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(yīng)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(jìn)行毒代動力學(xué)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(xué)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(yīng)。假設(shè)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(guān)重要的。然后確定是否進(jìn)入體循環(huán)，如果不進(jìn)入體循環(huán)則可在體外系統(tǒng)中初步評估其效應(yīng)。如果納米顆粒進(jìn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

第四階段：風(fēng)險特征描述/風(fēng)險評估。納米材料引起的毒性與劑量有關(guān)，需要特別注意劑量-反應(yīng)關(guān)系。微小量的納米顆?？赡軐ι矬w具有微弱的影響，一旦達(dá)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(fēng)險時需要將靶器官中發(fā)現(xiàn)的微粒水平與劑量-反應(yīng)關(guān)系進(jìn)行比較，這樣才能獲得較準(zhǔn)確的毒性風(fēng)險。

3.我國醫(yī)療器械用納米材料的風(fēng)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(jié)果。但是我國關(guān)于納米材料風(fēng)險評估的研究與發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，如缺乏對納米材料生產(chǎn)、使用、轉(zhuǎn)化等整個生命周期的了解，對通過吸入途徑進(jìn)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(xué)終點及確定劑量的標(biāo)準(zhǔn)等。

我國是納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的主席顧問組亞洲代表國，國家納米科學(xué)中心參與了多項ISO標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，其牽頭起草的ISO/IEC TS 13278《納米技術(shù)-采用感應(yīng)耦合等離子質(zhì)譜法測定碳納米管樣品的雜質(zhì)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(biāo)和檢測方法還需要進(jìn)一步的完善和驗證。

4.小結(jié)

隨著越來越多的新型納米材料應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)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(xué)的適當(dāng)?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(fēng)險，監(jiān)管模式和指導(dǎo)原則等提供技術(shù)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(xué)，同時涉及風(fēng)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。