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嘉峪检测网 2020-11-02 17:24
今日,器审中心发布关于征求《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)》意见的通知,全文如下:
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)
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/T 30544.4-2019),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100 nm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。
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。
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/T 16886.1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。
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/T 16886.1医疗器械生物学评价风险管理过程中的评价与试验》、《YY/T 0316-2016 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。
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/T 16886.1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/T 16886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ISO TC 194“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/TR 10993-22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/T 0993-2015 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/T 1295-2015 医疗器械生物学评价纳米材料:细菌内毒素试验和YY/T 1532-2017 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
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。
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。
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/T 16886.18和GB/T 16886.19),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。
表1汇总了用于医疗器械中纳米材料表征的基本参数。ISO/TR 13014:2012提供了与这些生物学评价参数的相关详细信息。
基于ISO/TR 13014,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(Field flow fractionation, FFF)、流体动力学色谱(Hydrodynamic chromatography, 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(Inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)、紫外光谱(Ultraviolet spectrum, UV)、原子吸收光谱法(Atomic absorption spectroscopy, AAS)、BET表面积测定(Brunauer,Emmett,Teller's test,BET)。纳米材料的原位成像方法,如磁粒子成像(Magnetic particle imaging, 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(Field emission scanning electron microscopy, FESEM),场发射扫描电子显微镜(Field emission gun-scanning electron microscopes, FEG-SEM), 透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM), 扫描透射电子显微镜(Scanning transmission electron microscopy, STEM)和聚焦离子束与扫描电镜(Focus ion beam/scanning electron microscope, FIB/SEM)下容易测得。高分辨透射电子显微镜(High resolution transmission electron microscopy, HRTEM)可以将粒子和原子团簇的结构信息的分辨率降低到0.2 nm以下,而电子能量损失谱(Electron energy loss spectroscopy, EELS)和能量色散X射线光谱仪(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, 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) |
ISO 22309 |
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) |
ISO 9276系列标准
ISO 13318系列标准
ISO 16700
ISO 20998-1 |
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 12025 |
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 |
ISO 16700 |
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 |
ISO 15901-1 |
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 |
ISO 25178 |
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/TR 14187
ISO 18115
ISO/TR 19319 |
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 |
ISO 20998 |
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) |
ISO 20998 |
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/T 16886.12 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。
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/T 16886.16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,据报道较小的纳米颗粒(10-15nm)分布广泛,更大的纳米粒子易于聚集在单核吞噬细胞系统( mononuclear phagocyte system,MPS)富集的肝和脾。在细胞水平的研究显示,大于100nm的纳米颗粒可以通过不同于内吞途径,被细胞摄入。较大的纳米颗粒不太可能具有皮肤穿透性,而较小的可进入较深的表皮、真皮和浅表细胞层。直径小于12nm的物体可通过血-脑屏障等。
纳米材料表面的理化性质在生物分子和生物系统的相互作用中发挥至关重要的作用。已知其表面特性如亲水性、疏水性和电荷能影响蛋白质的吸附性、稳定性和它们的吸附的强度,以及吸附的生物分子的性质(见本节b)。
然而到目前为止,哪一参数作为最关键的参数影响ADME仍不明确,因此要在对纳米材料充分表征的基础上,开展毒代动力学研究。
b) 生物分子吸附
生物环境中的纳米材料在其表面经受快速的蛋白质吸附,形成纳米-蛋白复合物(纳米蛋白冠,Protein Corona)。据报道,该“蛋白冠”是由强结合蛋白内核和快速的外层交换分子组成的双层系统。纳米蛋白冠的结构和组成取决于纳米材料的合成成分(即材料固有特性,例如大小、形状、组成、电荷和疏水性),生理环境的性质(例如血液、间质液、细胞质),和暴露的持续时间。
纳米蛋白冠不是静态的,而是可以根据纳米颗粒所处的直接环境而改变。此外,其他生物分子,例如脂质,也可以粘附到纳米材料表面,可称为纳米生物分子冠。纳米生物分子冠改变了纳米材料的尺寸和界面组成,赋予纳米材料不同于起始合成成分的生物特性。从而通过所获得的生物特性影响包括生物信号、动力学、运输、蓄积和毒性的生理效应。例如纳米血清蛋白冠的形成增强了MPS的细胞识别和摄取,这通常导致纳米颗粒从血液中加速地清除,并常规进入作为MPS代谢主要器官的肝脏和脾脏。
血浆和血清介质可用于鉴定吸附于特定纳米材料的蛋白质。采用与生物学相似的模拟液将有助于评价生理条件下,确定吸附于纳米材料表面的生物分子并对使用期内纳米材料的生物转化进行评价,应在研究项目文档中记录所用模拟液的信息。例如,有研究采用生物模拟液(Gamble’s溶液)来评价不同类型碳纳米管的持续存留。
介质(如悬浮液)可影响纳米材料的毒代动力学,因此,毒代动力学应采用与其他毒性试验相同的介质。
c) 接触途径
接触途径能够使纳米材料/纳米颗粒的表面特性和纳米颗粒在机体的生物分布发生改变。
基于使用部位,纳米材料表面分子粘附作用可以进一步影响被释放纳米材料的动力学。例如:纳米血清蛋白冠的形成促进了由MPS介导的识别和摄取,这通常导致纳米颗粒从血液中加速地清除,并进入作为MPS代谢主要器官的肝脏和脾脏;又如在气管内使用的金纳米颗粒(1.4nm)主要蓄积在肾脏而非肝脏,后者是静脉内使用的主要靶器官;如果与肺接触,纳米材料在肺中的分布将取决于其特性,其中纳米颗粒的尺寸是一个重要因素;当前文献数据显示纳米颗粒较少经皮肤途径被全身吸收,经真皮吸收的程度不仅取决于纳米颗粒性能,而且还取决于解剖部位(皮肤厚度)和皮肤屏障的完整性;另外机械运动和化学物质可以增强吸收。当纳米颗粒与啮齿类动物鼻腔接触,发现纳米颗粒通过呼吸道上皮的感觉神经末梢摄取后,颗粒随着轴突转运至神经节和中枢神经;对于除了静脉以外的大多数接触途径,大部分的纳米颗粒停留在接触部位的附近组织或局部引流淋巴结,并可以经由淋巴引流直接或间接地进入体循环,如果纳米颗粒到达循环系统,它们通常被MPS富集的肝脏和脾脏摄取,在几乎所有类型的器官和组织均可发现纳米颗粒,这使得很难预测其靶器官。
因此,由于不同的接触途径(例如静脉内的血液导管与气管内插管),从医疗器械中释放的纳米颗粒可以被不同的生物分子所覆盖,从而影响其毒代动力学和毒理学。
d) 剂量效应
纳米材料的剂量效应,即暴露量和清除量之间的关系也会影响其毒代动力学和毒理学。如果纳米颗粒的暴露量大于其清除,则会在体内蓄积。沉积于肺泡的纳米颗粒主要由肺泡巨噬细胞吞噬最终由气道输送到粘膜纤毛被机械性清除。如果接触超过其清除,则导致过载/清除率达到饱和及毒代动力学改变。在血液中,纳米颗粒主要是通过含MPS的器官中吞噬细胞摄取而被清除。然而,高剂量或重复性的纳米材料进入血液(例如超出了肝和脾吞噬细胞的吞噬能力),纳米颗粒可再分配到其他器官。研究还发现血液中纳米颗粒的给药间隔时间能改变其毒代动力学。
e)物种和性别
由于物种和性别之间存在生理学和解剖学的差异,因此,可能会导致纳米材料毒代动力学的变化。从性别差异的毒代动力学研究结果表明,雌性比雄性大鼠更容易发生纳米银及其衍生物的肾脏蓄积。从物种差异的毒代动力学研究结果表明,当小鼠,大鼠和仓鼠都以相同吸入方式与二氧化钛的纳米颗粒接触时,观察二氧化钛的纳米颗粒在三者肺脏清除过程中的分布发现,纳米颗粒在小鼠和大鼠肺脏中负载要高于仓鼠。有研究通过对比大鼠和人类之间肺脏颗粒物质的清除发现,大鼠具有比人更快的清除速率。对种属和性别的毒代动力学研究适用于全身毒性的研究,因此毒代动力学和全身毒性研究时应考虑种属的选择。
f)测量技术
为了测量组织和器官中的纳米材料,纳米材料或其元素组成必须具有生物背景的可检测性。据此,纳米材料既可以用放射性或荧光标记方法标记,也可替代地通过其元素组成来确定,例如ICP-MS等分析方法进行检测。但依赖于元素组成的分析,其缺点是不能得到纳米材料的天然属性(即,它是否作为一个纳米材料或降解的单质形式)。单粒子电感耦合等离子体质谱法(Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,spICP-MS)可克服该限制。spICP-MS是近几年出现的一个相对较新的技术,对于表征和识别纳米颗粒是非常有用的,spICP-MS能够提供关于元素的化学成分、尺寸、尺寸分布和数量浓度的相关信息和分析。此外,spICP-MS通过区分呈现不同毒性的元素离子和纳米颗粒,为评估含有或浸出纳米材料的器械风险水平提供关键信息。
标记技术也有缺点,如标记物可能会从纳米材料中释放和/或标记可能会改变纳米材料与环境间的相互作用从而影响其毒代动力学行为。当选择纳米材料标记的技术时,需考虑伴随其检测缺陷的标记物和纳米材料之间稳定结合的问题。
使用低检测限的方法可能不适用于检测组织和器官中极低水平的纳米材料,例如一些分析技术(如ICP-MS),必须对测试样品进行额外的处理过程以便于增加该技术的敏感性,但如果通过增加剂量或重复给药来保证在组织/器官中纳米材料的可检测性,则会使MPS系统的纳米材料达到饱和从而改变纳米材料的毒代动力学(见本节d讨论部分)。
已知纳米材料不同的体积形式表现出不同的物理化学性质(例如机械,化学,磁,光或电), 这些效应可发生在细胞、亚细胞、生物分子水平(例如,基因和蛋白质),以及细胞摄取过程,它们具有跨越细胞膜、核膜和线粒体膜的能力,干扰或阻断DNA合成和其他细胞功能的可能性。因此,暴露于纳米材料之后,可能表现出与常规材料诱导产生不同的毒理学特征。
当与生物环境接触时,纳米材料与蛋白质相互作用是由生理环境(例如血液、血浆、细胞质等)的性质和纳米材料的特性所决定。同样地,当暴露于试验介质,纳米材料预期干扰和/或影响环境取决于它们的固有性质和暴露的条件,那时它们可能会表现出与相应体积材料不同的效应。
纳米毒理学的剂量-反应关系可能不是传统的质量或浓度单位,而是纳米颗粒数量或纳米材料/纳米颗粒总的表面积单位,常规描述物质的剂量参数可能不适用于纳米材料。
纳米材料的尺寸、形态、表面积等特性的改变对生物相容性/毒理学测试结果的影响可能比元素、分子组成的影响更大,仅了解元素或分子组成的物质可能不足以作为纳米材料安全性评价的参照材料。为了确保纳米材料相关检测的质量,需要采用同类型的参照材料,达到对检测结果的量值溯源。建议申请人根据医疗器械预期用途,以及纳米材料的特性,选择适宜的参照材料或代表性测试材料。
纳米材料的细胞毒性可选择性依赖于材料的细胞敏感性、特定受体的存在或吸收机制。因此,在评估纳米材料细胞毒性时,应特别注意体外试验的选择,除相关细胞培养物模型的选择外,也应考虑纳米颗粒的特性。GB/T 16886.5描述了评估医疗器械体外细胞毒性可接受的标准试验方法,YY/T 0993描述了评估医疗器械纳米材料体外细胞毒性的标准试验方法。建议试验策略包括体外试验和已有数据与预期暴露情况相关性的评估。
由于研究表明,在体内纳米材料主要趋向于终结在MPS细胞中,有的纳米材料可通过活化的氧化应激-活性氧(ROS)诱导细胞毒性,纳米材料不必进入细胞即可产生细胞毒性,如氧化锌、银纳米颗粒的细胞毒性,因此,可考虑在吞噬性(例如:RAW264.7,鼠巨噬细胞,人源THP-1细胞诱导分化的巨噬细胞)和非吞噬性细胞系(例如:3T3鼠成纤维细胞,L929鼠成纤维细胞,HaCaT人角质细胞)进行体外细胞毒性试验(ISO10993-5、ISO19007附录A)。
还有其它干扰因素需要考虑。纳米材料的电荷和光学性质可能干扰依赖于比色测定和/或荧光剂的试验方案;纳米颗粒可以扩散、沉淀或凝集,影响其在细胞中的接触和转运水平;这些问题可通过应用计算机模拟如体外沉降、分散和剂量测定(ISDD)和多路径颗粒剂量测定(MPPD)模型形成堆积纳米颗粒剂量特征来解决。
确定纳米颗粒适宜的剂量单位对细胞培养模型细胞毒性评估来说是一个挑战性的问题,质量、表面积和纳米颗粒的数量均已被建议为重要的剂量单位并被OECD和NCL相关试验考虑到。
因此,在进行体外细胞毒性试验时,要把试验设计的考虑因素详细描述并记录。
GB/T 16886.20提出了免疫毒理学概述尤其是医疗器械潜在免疫毒性。
GB/T 16886.10描述了医疗器械及其组成材料产生刺激和皮肤致敏可能性的评估过程。此文件包括:
——刺激预试验的考虑,包括皮肤暴露计算机模拟和体外方法,
——体内(刺激和致敏)试验过程的详细信息,
——结果解释的关键因素。
免疫系统暴露于纳米材料可能导致炎症和过敏性/自身免疫反应。其程度和反应类型取决于过敏性纳米材料的特性、非特异免疫增强效能、炎性作用以及其激活补体系统的能力,免疫应答后可被激发或抑制等方面因素。
(1)免疫毒性
纳米颗粒进入全身循环系统就终结于在免疫系统中起核心作用的MPS细胞(例如巨噬细胞、树突细胞或朗格汉斯细胞)。因此,纳米材料的免疫毒性可能需要特殊考虑。通常,通过重复接触毒性试验(例如28天或90天)评估免疫毒性,通过此试验可检测到的免疫抑制和/或免疫刺激的第一指征。
由于免疫系统的复杂性,体外模型提供了可靠的更好的研究免疫细胞功能的方法。可通过在特殊的免疫细胞系中评价信号通路,如核因子kappaB通路研究纳米材料对免疫细胞功能的影响,这些测试预期评估如吞噬作用、趋化性和巨噬细胞一氧化氮产生等指标。
(2)致敏
纳米材料与蛋白质纳米颗粒相互作用导致纳米材料/蛋白质复合物形成,其作为一种继发效应可能会导致致敏。在GB/T 16886.10中描述了各种测定包括Buehler试验(BT)、豚鼠最大化试验(GPMT)、局部淋巴结测定(LLNA)、人体斑贴试验(HPT)和改良GPMT。由于皮肤的屏障功能BT、LLNA、HPT和改良GPMT致敏试验可能对许多纳米材料无效。纳米材料可能无法到达致敏的靶细胞和器官、皮肤树突细胞和引流淋巴结。因此,这些试验不一定适合对纳米材料的致敏试验。为了应对欧洲对化妆品材料进行动物试验的禁令和非动物试验方法特别说明的REACH法规,很多体外致敏试验被开发出来。其中已被最广泛应用的是直接肽反应性测定法(DPRA)、人细胞系激活试验(H-CLAT)、KeratinoSens4和SenCeeTox5。
(3)刺激
根据GB/T 16886-1标准,应考虑刺激性试验(包括皮内反应)评估医疗器械、材料和/或它们的浸提物的潜在刺激性,在适宜的模型使用适当的应用部位如皮肤、眼睛和粘膜。此要求也适用于纳米材料。进行的试验应适合于GB/T 16886.10中的途径(皮肤、眼睛、粘膜)和暴露或接触的持续时间。
纳米颗粒被认为可能穿越所有的保护屏障,包括血-脑和胎盘屏障,因此应当考虑纳米颗粒的全身性毒性。
溶解度是纳米材料全身毒性需要考虑的一个关键参数。与医疗器械中常规材料一样,水溶性纳米材料在接触组织或液体时会溶解,但对于不易溶解的纳米材料,机体的清除能力和防御机制可能很快被耗尽,从而导致产生全身不良影响的长期体内蓄积,其生物残留可能会导致(其中包括其它的情况)溶酶体通透性和酶活性的变化以及巨噬细胞凋亡。
根据GB/T 16886.11所述,基于其临床使用情况、纳米材料的特性,和暴露时间评价其潜在全身毒性。
因为纳米颗粒可能分布于全身,应根据纳米材料毒代动力学的特点,在具体问题具体分析的基础上考虑预期用于组织病理学分析(GB/T 16886.11)的组织/器官选择,特别注意MPS(例如特别是肝、脾)、肾、脑、骨髓等,也取决于接触途径和预期临床用途。
另外,剂量单位、剂量大小和接触频率可影响全身毒性试验结果。
像任何材料表面一样,纳米材料表面可覆有细菌内毒素或脂多糖(LPS),尤其是当纳米材料在非无菌或在存在水的条件下生产时。纳米材料表面的内毒素可以干扰纳米材料与生物系统之间的相互作用影响评估结果(如产生非特异性炎症)。
YY/T 1295-2015 医疗器械生物学评价纳米材料:细菌内毒素试验中描述了纳米材料样品内毒素检测的鲎试剂(LAL)法,GB/T16886.11也有检测纳米材料内毒素的相关信息,其它可能有帮助的信息包括:单核细胞激活试验(MAT),USP85,USP151和ANSI/AAMI ST72。
根据GB/T16886.11,除内毒素介导的致热性外,纳米材料介导的致热性也作为纳米材料生物学评价的一部分,具体方法参照GB/T16886.11。
GB/T16886.6中描述了医疗器械植入试验。根据医疗器械类型可以考虑各种植入部位(例如皮下、肌内、颅内等)。对于游离纳米材料,可考虑直接注射到相应的组织。
关于医疗器械纳米材料的可能释放,应当特别注意纳米材料向局部引流淋巴结的迁移。
当采用植入试验评估潜在的全身毒性时,应考虑GB/T16886.6和GB/T16886.11的要求。
应当认识到植入试验中通常使用对照材料。一些已证明的尺寸测量标准化的参考纳米材料是可获取的。另外,现在被称作“代表性”的广泛应用的商品化纳米材料是可获取的。
(1)一般考虑
应对直接或间接接触血液的含纳米材料医疗器械进行血液相容性评价。此外,即使对非血液接触的器械,如果毒代动力学研究显示来自医疗器械的游离纳米颗粒可能进入全身血液循环,也应进行血液相容性评估。
在GB/T 16886.4提供了评价医疗器械与血液相互作用的一般要求。
与血液相互作用的评价试验方法分为几类:血液学、血栓形成、凝血、血小板活化和补体系统激活。
可发生在血液中的对医疗器械的许多反应和血液接触的器械表面积有关。因此,器械表面积与全血暴露体积比(cm2/mL全血,WB)是血液相容性评估的重要因素。其它影响与血液相互作用的因素包括几何结构和表面化学。应考虑采用适宜体外和体内模型对纳米材料进行剂量反应试验,以评估其血液相容性。详见GB/T 16886.4。
(2)补体系统激活
补体系统包含材料通过调理作用允许被巨噬细胞识别和摄取的针对非自体物质的固有免疫防御。据报道,纳米材料和补体系统之间的相互作用由几个因素包括大小、形态和表面特性影响。
血液中纳米材料导致补体系统激活的异常增强可能诱发显著性炎症反应。因此,补体激活应作为纳米材料生物风险评估的一部分,特别是预期它们与循环血液直接接触,或游离纳米大小颗粒有可能迁移至全身血液循环。
补体活化可能导致急性过敏反应,这种特定类型的过敏综合征被称为与补体激活相关的类过敏反应(complement activation-related pseudo-allergy, CARPA),已有大量这种类型的被聚乙二醇(PEG)化复合脂质体和其他纳米颗粒诱导的补体级联激活的报告,纳米颗粒这样的CARPA诱导物包括以下种类:脂质体药物、胶束溶剂、放射造影剂、碳纳米管、基于脂质体和聚集物的纳米药物、PEG涂层囊泡,以及其它基于脂质和磷脂甲氧-PEG共轭稳定化制剂。
(3)血液相容性试验的特殊考虑
血液相容性是对血液接触纳米材料的关键考虑。这是因为血液中的蛋白被立即吸附在纳米材料表面,导致级联反应,最终导致医疗器械的成功或失败。根据不同的尺寸/表面积等先天或后天的表面特性,纳米材料可能会导致不同的血液相容性结果。实际上,已有报道称尺寸、表面粗糙度和表面电荷在血液血清蛋白吸附程度、血小板粘附和活化、以及全血凝固动力学中起重要作用。
GB/T 16886.4中描述的常规方法可以直接评价表面具有纳米结构材料,但游离纳米颗粒的血液相容性评价可能更有挑战性,由于其比常规材料更高的表面积/体积比,更多的血清蛋白可轻易地吸附于游离纳米颗粒,改变了血液中外来物体一进入全身循环就随后发生的级联反应。另外,由于纳米颗粒一旦与血液接触后的潜在的聚集/团聚会改变血小板、凝血因子和血管内皮细胞的相互作用。
由于体外试验的可能干扰,在得出关于游离纳米颗粒血液相容性任何结论前应特别注意所使用纳米颗粒方法的重现性、可靠性和灵敏度。我国已发布YY/T 1532-2017医疗器械生物学评价:纳米材料的溶血试验。
应注意纳米颗粒可引起内皮细胞释放促炎和促凝因子(如,TNF-a、IL-6、IL-8、MCP-1和组织因子)释放,可在内皮细胞和单核细胞共培养模型中检测纳米颗粒的促炎和促凝风险。所以,建议除血液相容性基本筛选外,也应检测内皮细胞和/或单核细胞激活及纳米颗粒与内皮细胞和单核细胞相互作用引起的细胞粘附因子、促炎因子和促凝因子释放(例如,评价细胞粘附分子标志物如CD54/CD106/CD62E、促炎因子如TNF-α、IL-6、IL-8、MCP-1和促凝因子)。
GB/T 16886.3适用于已识别或未知的可能有遗传毒性、致癌性和生殖毒性的医疗器械或组件的评价。与常规材料相比,纳米材料可能具有不同的遗传毒性、致癌性和生殖毒性特征。
纳米材料有两种主要类型的遗传毒性损害:致突变性和致染色体断裂性损害,诱变和细胞遗传学损害,申请人应在具体问题具体分析的基础上评估可能的纳米颗粒遗传毒性作用。
纳米材料的遗传毒性作用可能是直接机制的结果。某些纳米颗粒可以穿过细胞膜、进入细胞核并与核DNA和蛋白相互作用,另外,纳米颗粒和DNA之间的直接接触也发生在细胞分裂期间核膜消失时。纳米颗粒可能在与同等大小的细胞成分相互作用后产生自由基,可导致DNA损伤或影响有丝分裂过程染色体分离,从而导致对细胞分裂的干扰和细胞转运混乱。
纳米材料的遗传毒性作用也可能是间接机制的结果,涉及促氧化作用或DNA修复抑制。炎症反应和细胞异常凋亡后的氧化应激被认为是由纳米的物质引起的一些非遗传毒性事件,这些事件易导致细胞癌变。这些在体外和体内模型中细胞应答的评估可作为引发间接DNA损伤可能性的指标。
总之,申请人宜谨慎考虑遗传毒性试验的阴性结果。为排除一个直接基因毒性作用,需重点评估在体外研究中细胞靶区域和/或体内研究中组织暴露的可能性。同时,应注意间接作用(如,因活性氧的诱导)可能引起的遗传毒性。
由于纳米颗粒摄取和DNA暴露的不确定性,对于纳米材料的遗传毒性试验,推荐哺乳动物细胞系统,因为它们有摄取纳米颗粒的可能。通常采用下列试验评估纳米材料的体外遗传毒性:哺乳动物细胞体外基因突变试验(小鼠淋巴瘤TK试验MLA)、体外微核试验与基因突变试验(如HPRT)或检测小规模序列改变的小鼠淋巴瘤试验(点突变)、彗星(单细胞凝胶电泳法)试验。
当考虑进行体内试验时,应采用适当的方法确认纳米颗粒到达靶器官。如果不能证实,申请人可能需要证明被其摄取的不同靶器官的第二个体内试验证明不存在体内遗传毒性。建议基于(毒代)动力学研究和/或亚慢性体内研究以确定靶器官。下列试验通常用于评估体内遗传毒性:啮齿动物红细胞或骨髓微核试验;啮齿动物骨髓染色体分析;DNA链断裂分析(体内彗星试验)。
人类基因组不断暴露于DNA损伤剂如活性氧、紫外线和有遗传毒性的化学物。很多体外和体内研究已发现纳米材料诱导DNA损伤和突变。遗传毒性和癌症之间的联系是公认的,所以这些研究结果对于预测纳米材料的致癌性是有用的。虽然有大量遗传毒性的信息是可用的,包括很多纳米材料相互矛盾的结果,但对纳米材料致癌性的理解水平是有限的。
众所周知遗传毒性和慢性炎症可导致致癌性。还有报道说生物残留和慢性炎症诱导可诱发肺肿瘤,这些作用可能是由于指定的“超负荷”给药导致的,生物残留主要由纳米颗粒的尺寸和形状(例如纤维)的化学成分决定,研究表明一些纳米材料诸如纳米二氧化钛和碳纳米管诱导了动物模型的肿瘤发生,机制可能是DNA损伤和炎症过程中ROS的产生。
如果人体高剂量或长期暴露应考虑评估致癌风险。最常见的评估化学物致癌可能性的体内试验是ECB.32及OECD451中描述的致癌性试验和ECB.33及OECD453描述的慢性致癌性联合试验。对于医疗器械,GB/T 16886.3描述了致癌试验。另外,有研究表明,与两年致癌性研究相比,转基因动物,如鼠rasH2模型可用作短期替代试验。
纳米颗粒能够穿透生殖系统屏障(例如血-睾屏障和胎盘屏障),影响精子的活力和功能以及胚胎发育的可能性。已有研究显示一些纳米颗粒依靠其类型及实验条件/模型穿过生殖系统屏障如血-睾屏障和胎盘屏障。另外,纳米颗粒通过与DNA分子相互作用导致的遗传物质破坏也可能导致突变和影响下一代的生殖和发育。可根据风险评估中医疗器械的暴露和使用决定是否需要进行生殖毒性试验。如果根据医疗器械风险评估需要进行,应根据GB/T 16886.3的要求考虑所用纳米材料生殖毒性的评估。当足够及充分的证据表明纳米材料或其代谢物不到达生殖系统器官,则无需进行生殖毒性试验。这方面的证据可基于ADME的研究数据。
除了GB/T 16886.3,OECD421可用于收集纳米材料可能生殖毒性作用的初始信息。该试验的结果也可以用于初始危害评估并且可以在是否需要额外试验的决策过程有帮助。如果认为有必要进行额外试验,根据筛选试验的结果,应视情况按照OECD414、OECD415、OECD416、或OECD422进行。
医疗器械中应用的纳米材料表征的信息可进行潜在的风险评估。
暴露可被看作是在实际使用条件下(暴露场景)从医疗器械中潜在释放,以及纳米材料的毒代动力学(对可能的内部暴露风险给予提示)结果。
风险评估可基于潜在暴露和按照GB/T 16886.1进行的安全性测试结果进行。
风险评估最重要的因素是纳米材料从医疗器械中释放的可能性。如果颗粒释放不存在,则认为材料和表面性质可能引起局部反应,如炎症和/或诱发过敏,这可能与颗粒反应相关,以上评价采用GB/T 16886.1中给出的现存测试方法即可。与之相类似,在不存在任何吸收的情况下,不需进行全身毒性测试。
与颗粒释放相关的风险评估的阶段性方法在下面提出,并在图2中展示。
图2:医疗器械中使用的纳米材料风险评估
第一阶段的目的是考虑无论从器械的固有属性,还是由于植入后的磨损,评估纳米颗粒释放的可能性以便估计潜在暴露风险,如果有实质性证据表明纳米材料内嵌或牢牢固定在器械中,在植入、使用和移除过程中保留在器械中,并提供证据证明颗粒不会因磨损而释放,就不需要进一步针对纳米颗粒成分的特定风险进行评估。要特别注意,须确保以上证明无纳米颗粒释放的相关数据是在模拟临床实际应用中最不利的情况下获得的。
对于如含纳米银敷料类产品,其颗粒银的体外释放和所释放的颗粒银的存在形式,尺寸是否在纳米级,表面特性等的表征对于后续的风险评价很重要。可参考中检院和国家纳米科学中心共同发表的“含银敷料中银的表征和体外释放实验技术共识”开展银的体外释放实验。
当纳米尺度材料释放量足以引起关注或释放量未知时,须对释放的颗粒的理化性质进行评价。在风险评估中研究的颗粒必须和原位释放的颗粒在物理和化学性质上保持一致。纳米材料释放的几个场景包括加工、侵蚀、洗涤、接触和焚烧。已识别的碎片由仅来自基质中的颗粒,内嵌纳米材料的基质颗粒,纳米材料本身或添加的纳米材料溶解的离子组成。
应考虑的理化性质包括:
水溶性/脂溶性如果纳米材料在极性/非极性介质中溶解迅速,不需要进一步考虑释放材料的颗粒特性,但需要进一步考虑溶解后的材料的潜在不良反应。
粒径分布和形状颗粒的移动性和生物效应受到颗粒的粒度和形状的影响。
团聚和解聚能力颗粒结合和解聚的能力也是影响颗粒尺寸的因素。生物介质中颗粒尺寸越大,保留与纳米颗粒相关的表面活性性质的可能性就越小。
其他取决于所用的纳米材料的特性,如表面化学/成分(也见ISO TR 13014:2012)。
对于包含天然大分子(包括但不限于蛋白质、糖蛋白和多糖)成分的纳米材料,应重点关注天然大分子的生物来源及加工、提纯工艺等因素造成的分子改性。
对于识别暴露量、估算释放纳米材料的速率和数量所涉及的实际中最坏情况,需要考虑医疗器械与人体的潜在接触持续时间。当由于纳米颗粒释放预期/估计会发生暴露时,需要进一步开展毒理学评价。
如果颗粒释放不发生,进一步评价可以仅主要限于研究局部反应。如果存在(纳米)颗粒的潜在释放的不确定性,应开展第二阶段评估。
这一阶段的主要目的是识别颗粒的生物分布和蓄积,可结合第五章第二部分毒代动力学内容进行评估,以应对在第三阶段(如下)中上述潜在暴露场景中所需的毒性测试。
从无创医疗器械中向全身循环和/或有创器械作用在人体的部位所释放的颗粒的吸收,和接触持续时间对于颗粒向其它器官的潜在分布有主要的影响。
如果医疗器械直接与内部组织接触,一般纳米材料会直接通过血液循环分布到其他组织/器官;对于外部接入器械,如透析设备,颗粒释放进入全身循环,应随后开展适宜的毒代动力学研究。
颗粒的生物蓄积主要受两方面因素影响:(1)从器械中的持续释放;(2)颗粒稳定性及其陷入组织或清除机制失效。
由于器械使用而导致的释放可以基于短期理化研究进行估计,只要可能存在释放,则必须开展体内动物研究,以达成对内部暴露的充分表征。
通过第一阶段和第二阶段对纳米材料应用类型、接触时间和接触类型进行分析,结合GB/T 16886.1和YY/T 0316中阐述的风险评估和风险管理方法,对纳米材料潜在的外部和内部暴露进行评估(见表2)。
表2 作为包含纳米材料的医疗器械风险评价起点的潜在外部和内部暴露评估
/ |
纳米材料应用类型 外部暴露/内部暴露 |
||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
游离 |
固定 (涂层) |
固定 (涂层) |
内嵌 |
内嵌 |
|||
器械类型 |
接触类型 |
接触时间 |
|
弱(物理吸附) |
强(化学吸附) |
在降解材料中* |
在非降解材料中 |
表面器械 |
接触皮肤 |
≤ 24 h |
H/N |
M/N |
M/N |
L/N |
N/N |
>24 h至30 d |
H/N |
M/N |
M/N |
M/N |
N/N |
||
>30 d |
H/N |
M/N |
M/N |
H/N |
N/N |
||
接触黏膜 |
≤ 24 h |
H/L |
M/L |
M/N |
L/L |
N/N |
|
>24 h至30 d |
H/M |
M/M |
M/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
H/M |
M/M |
M/L |
H/M |
N/N |
||
损伤表面 |
≤ 24 h |
H/H |
M/M |
M/L |
L/M |
N/N |
|
>24 h至30 d |
H/H |
M/M |
M/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
H/H |
M/M |
M/L |
H/M |
N/N |
||
外部接入器械 |
血路,间接** |
≤ 24 h |
na |
M/M |
M/L |
L/L |
N/N |
>24 h至30 d |
na |
M/M |
M/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
na |
M/M |
M/L |
H/M |
N/N |
||
组织/骨/牙本质 |
≤ 24 h |
H/H |
M/M |
M/L |
L/L |
N/N |
|
>24 h至30 d |
H/H |
M/M |
M/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
H/H |
M/M |
M/L |
H/H |
N/N |
||
循环血液*** |
≤ 24 h |
na |
H/H |
H/H |
L/L |
N/N |
|
>24 h至30 d |
na |
H/H |
H/H |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
na |
H/H |
H/H |
H/H |
N/N |
||
胃肠道 |
≤ 24 h |
na |
H/H |
H/H |
L/L |
N/N |
|
>24 h至30 d |
na |
H/H |
H/H |
M/M |
N/N |
||
|
>30 d |
na |
H/H |
H/H |
H/H |
N/N |
|
植入器械 |
组织/骨 |
≤ 24 h |
H/H |
H/H |
H/L |
L/L |
N/N |
>24 h至30 d |
H/H |
H/H |
H/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
H/H |
H/H |
H/L |
H/H |
N/N |
||
血液 |
≤ 24 h |
H/H |
H/H |
H/L |
L/L |
N/N |
|
>24 h至30 d |
H/H |
H/H |
H/L |
M/M |
N/N |
||
>30 d |
H/H |
H/H |
H/L |
H/H |
N/N |
H/L意味着纳米材料高接触可能和/或外部暴露/ 对于所有器官系统的内部系统性暴露的低可能性
* 暴露依赖于医疗器械的降解时间
** 在一点接触血路。此类器械例子是给药装置、输液器和输血器(GB/T 16886.4)
*** 此类器械例子是:血管内导管、体外氧合管路和透析器(GB/T 16886.4)。
如果第一阶段和/或第二阶段没有识别出颗粒的释放,医疗器械的局部效应被认为足以被GB/T 16886.1中出现的已有的试验方法覆盖。
如果从第二阶段估计到颗粒释放进入全身循环不太可能发生,则仅需进行确立局部效应的试验。如果存在颗粒释放,则需要额外的研究,需要进行局部效应表征和全身效应表征,表3中给出了包含纳米材料的医疗器械生物学评价所需要考虑的试验指南。
需要注意的是,在各项研究中使用的纳米材料形式应与生物系统中实际使用和存在(释放或产生的)的纳米材料保持一致,若材料在加工或使用过程中性质发生改变,则需对不同性质的材料分别进行毒理学评价。
表3 基于纳米材料从医疗器械中潜在释放(暴露)的特定纳米材料毒性测试框架
拟开展的试验 |
无创短期使用 |
无创长期使用 |
有创短期使用 |
有创长期使用 |
---|---|---|---|---|
低暴露 |
理化数据 |
理化数据 |
理化数据 |
理化数据 |
体外细胞毒性 |
体外细胞毒性 |
体外细胞毒性 |
体外细胞毒性 |
|
体外刺激性 |
体外刺激性 |
体外刺激性 |
体外刺激性 |
|
超敏反应 |
超敏反应 |
超敏反应 |
超敏反应 |
|
|
体外遗传毒性 |
|
体外遗传毒性 |
|
|
|
|
总体免疫毒性测试 |
|
中等暴露附加试验 |
|
体内遗传毒性 |
其他体外加生物信息学测试* |
28/90天体内毒性试验 |
|
局部部位免疫毒性 |
体外和体内遗传毒性 |
体外和体内(重复给药)遗传毒性测试 |
|
|
仅局部部位保留/积累研究 |
|
ADME包括保留/积累研究 |
|
高暴露附加试验 |
选择的体内急性毒性试验,关注局部部位 |
选择的体内慢性毒性试验,关注局部部位 |
体内急性毒性试验 |
体内慢性毒性试验,依据患者人群,可能包括生殖发育毒性。 |
*也见EURL-ECVAM数据库(http://ihcp.jrc.ec.europa.eu/our_labs/eurl-ecvam/validation-regulatory-acceptance/)
理化分析从纳米材料理化表征中获得的数据。
表3中提供的框架并不是要开展的试验的清单,但它旨在为进行包含纳米材料的医疗器械生物学评价所需要考虑的试验提供一个指南(与GB/T 16886.1保持一致)。在一些情况下,特定的研究可能不必要,但应提供基于科学的证据和可信的理由。
基于暴露的可能性,下列必需的风险评估类别(不用于定量)可以使用(表4):
表4医疗器械中应用的纳米材料风险评估框架
纳米颗粒释放 |
无创 |
有创直接接触 |
有创间接接触 |
|||
短期暴露 |
长期暴露 |
短期暴露 |
长期暴露 |
短期暴露 |
长期暴露 |
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低/不显著 |
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中 |
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** 当毒代动力学研究显示吸收时,完整评估
当毒性由所用的纳米材料所引发,必须对剂量响应关系给予特别关注。在研究中的发现应与在靶器官(内部暴露)中找到的颗粒水平进行比较,以评价风险。估计的风险可以与不含纳米材料的可比器械相比,并根据YY/T 0316进行评估。除估计出的潜在风险之外,在最终收益风险评价中也要考虑患者的潜在收益。
医疗器械安全性和有效性评价研究应采用科学、合理的评价方法,其中动物实验是重要手段之一,其属于产品设计开发中的重要研究,可为产品设计定型提供相应的证据支持;若需开展临床试验,可为医疗器械能否用于人体研究提供支持,降低临床试验受试者及使用者的风险以及为临床试验设计提供参考。本指导原则仅给出纳米材料动物试验的概述。有关纳米材料动物试验的具体内容,将在本系列指导原则后续部分中给出。
如需通过动物试验进行风险控制措施有效性的验证,则结合动物试验目的,一般从可行性、有效性、安全性三方面进行考虑:
可行性研究是指产品设计开发阶段进行的,对产品工作原理、作用机理、设计、可操作性、功能性、安全性等方面进行确认/验证,或识别新的非预期风险的研究,如生物可吸收支架平台材料的筛选、经导管瓣膜置换装置的设计可行性、迭代设计更新的验证等。
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,但设计合理的动物试验可支持产品的有效性(包括性能和操作),如可吸收防粘连医疗器械的防粘连性能评价,组织修复材料引导组织重建的有效性评价,多孔涂层关节类产品或3D打印多孔结构产品的骨结合效果评价等。
申请人采取风险控制措施后,部分产品安全性可适当采用动物试验研究进行评价,如含药医疗器械中药物安全性范围研究,通过组织病理学等方式的毒理学评价、产品对生物体的损伤评价,动物源性材料的抗钙化性能,外科血管闭合设备的血管热损伤研究,防粘连医疗器械与组织粘连相关并发症的评价等。
试验目的有时是不能严格划分界限的,因此一项动物试验可能同时对产品的可行性、有效性、安全性进行评价。
若产品采用新的作用机理、工作原理、设计、主要材料/配方、应用方法(如手术操作)、预期用途、增加新的适用范围、改进某方面性能等,申请人应针对产品创新点相关风险进行评估,并考虑通过动物试验对风险控制措施的有效性进行验证。
纳米技术是正在快速发展的新兴领域,大多数纳米材料还没有上市,在进行风险评估时,无法与已上市产品进行等同性比较,相关产品仅仅依靠常规的实验室研究并不能验证失效风险,需要通过适宜的动物模型来评价纳米材料在动物体内的性能和产品的安全性及有效性,除非通过对纳米材料的化学表征、理化表征、形态学、表面特性、机械性能、耐腐蚀性能评价、生物相容性评价等研究证明其与已上市同类产品具有等同性,则无需通过动物试验来评估。
开展动物试验宜在有资质的场所进行,并且该单位或机构应建立相应的质量管理体系,并维护体系保持有效运行。
基于实验动物3R(代替、减少和优化)原则,在一些领域正在开发替代的试验方法,如体外替代测试和计算机模拟研究。在评价医疗器械安全性和有效性时,如果方法得到验证,可以考虑使用。另外,在一些器械性能方面研究或验证时,也可考虑使用该方法。比如体外膜肺氧合离心泵泵头的流体力学研究,可以选择使用计算机模拟软件来进行。
体外替代测试:目前包括皮肤腐蚀试验、皮肤刺激试验、经皮肤吸收试验、眼刺激试验、皮肤致敏试验、光毒性试验、内分泌干扰试验、胚胎毒性试验、血液毒性试验、遗传毒性、热原试验等毒理学测试。这些方法被欧洲药典、人用药品注册技术要求国际协调委员会(ICH)等法规接受。
计算机模拟研究:目前主要包括定量构效关系、分类法、交叉参照、毒理学阈值和专家系统等,已经有不少计算机模型和工具应用到毒理学安全性评估中,例如,OECD QSAR Toolbox、Toxtree、CAESAR、TEST及HESS等,毒性终点涉及经皮吸收、皮肤刺激、眼刺激、皮肤致敏、急性毒性、重复剂量染毒、生殖发育、遗传和致癌等。
目前,国内外发布的替代方法标准,对于工业化学品的部分毒性评价也能提供基本的测试数据,但在实际应用中仍需要积累数据,进行必要的优化和调整,使用者可以通过增加检测参数、改变暴露方式、修改预测模型和组合等不同方法提高方法的特异性。在选择体外替代测试和计算机模拟研究时,可根据国内法规要求选择相应的替代测试对纳米材料进行毒理学测试,必要时需要对方法进行优化和调整。
需要指出的是:当前科学界也正在开发用于纳米材料有效性评价和筛选的体外替代测试方法和计算机模拟方法,如体外三维组织/器官模型、有限元分析,这些方法对于现有的台架试验和动物试验是有益的补充,但申请人在采用这些方法对纳米材料开展评价时,也应充分考虑方法的局限性和适用性,特别是模型与真实人体健康组织和病变部位的差别对于结果解释造成的可能影响。有关体外替代测试和计算机模拟的具体内容,将在本系列指导原则后续部分中给出。
本指导原则仅给出纳米材料临床评价的概述。有关纳米材料临床评价的具体内容,将在本系列指导原则后续部分中给出。
应用纳米材料的医疗器械临床评价应按照《医疗器材监督管理条例》、《医疗器械注册管理办法》、《医疗器械临床试验质量管理规范》和《医疗器械临床评价技术指导原则》等进行。
纳米生物材料类医疗器械作为III类医疗器械管理,属于我国最高风险类医疗器械,并且大部分应用纳米材料的医疗器械未有人体使用史,无法进行与以上市产品进行等同性认定;由于动物与人体的差异,仅仅通过非临床研究,很难评价其安全性和有效性。因此,对于大部分应用纳米材料的医疗器械,需要开展临床试验。但通过对同品种医疗器械临床试验或者临床使用获得的数据进行分析评价,能够证明该医疗器械安全、有效的,可以在申报注册时予以说明,并提交相关证明资料。
需要开展临床试验的应用纳米材料的医疗器械应按照《医疗器材监督管理条例》、《医疗器械注册管理办法》、《医疗器械临床试验质量管理规范》,以及医疗器械临床评价相关指导原则的要求,在经资质认定的医疗器械临床试验机构中进行,合理设计临床试验方案,重点关注研究单位质量体系证明、生产许可证、自测报告、生物学报告、动物实验报告等资料要齐全;知情同意书设计符合要求,重点描述风险、补偿、受益、替代治疗方案,不良事件的处理等。
除医疗器械临床试验一般性要求外,在整个临床试验中,还应时刻关注纳米材料的潜在暴露风险,进行代谢学研究,以及医疗器械的性能研究,在长期安全性研究过程中,申请人宜根据医疗器械预期用途,纳米材料与人体可能的接触/暴露途径,以及纳米材料可能的靶器官/组织,设计有针对性的观察指标,全面评价应用纳米材料的医疗器械的安全性和有效性,
虽然对于纳米材料安全性和风险评价,有许多问题尚未解决,但是,已有许多可获得的信息,特别是与纳米材料安全性测试相关的信息,本指导原则已包含这些信息,旨在强调对医疗器械安全性和有效性评价时,应增强这方面意识,并对含有纳米材料的医疗器械进行安全性和有效性评价时需要注意的一些特殊考虑。
医疗器械中应用的纳米材料的潜在风险主要与游离纳米材料自器械释放的可能性,以及暴露剂量、暴露途径、接触部位和持续时间相关。潜在释放取决于纳米材料使用方法,即游离纳米材料、固定在表面的纳米材料,或内嵌在基质中的纳米材料。除颗粒释放及其潜在效应之外,可能的使用部位的局部效应也要考虑。同时需要注意的是,即使医疗器械中不含纳米材料,医疗器械的磨损也可能导致纳米尺度颗粒的产生。此外,也可能将本指导原则用于粒径大于100 nm的颗粒的安全性评价和风险评估。
由于大多数纳米材料无人体应用史,在进行风险评估时,无法与以上市产品进行等同性比较,相关产品仅仅依靠常规的实验室研究并不能验证其有效性,通常需要通过开展动物试验和临床试验进行有效性评价。
器械在真实世界环境中的使用情况可以更好地体现器械的受益风险,所以,在对含纳米材料的医疗器械做受益风险判定时,审评机构可以考虑将收集上市后数据作为证明风险控制措施有效性的方法。
上市后数据研究或器械用于真实世界后获得的数据可能改变特定器械的受益风险情况,尤其当其识别出了新风险、确认特定的风险已被降低、识别出最有可能发生不良事件的患者、或者更具体地区分出不同患者亚组对器械的响应,针对以上情况,及时做出反应,以降低其风险。
纳米尺度nanoscale
处于1nm至100nm之间的尺寸范围。
注1:本尺度范围的特性不能由较大尺寸外推得到。
注2:影响生物相容性的特性也能发生在较大尺寸,如100nm至1μm。
纳米材料nanomaterial
任一外部、内部或表面结构处于纳米尺度的材料。
工程化的纳米材料engineerednanomaterial
为了特定目的或功能而设计的纳米材料。
纳米物体nano-object
一维、二维或三维外部维度处于纳米尺度的物体。
纳米颗粒nanoplate
三个维度的外部尺寸都在纳米尺度的纳米颗粒。
纳米结构nanostructure
一个或多个部分处于纳米尺度区域的相互关联的组成部分。
注:区域由性质不连续的边界来界定。
纳米结构材料nanostructurematerial
内部或表面具有纳米结构的材料。
注:本定义不排除纳米颗粒具有内部或表面纳米结构的可能性。如果外部维度(一个或多个)处于纳米尺度,推荐用术语“纳米颗粒”。
纳米技术nanotechnology
应用科学知识操纵和控制纳米尺度的物质以利用与单个原子、分子或相同材料制成的块体材料性质显著不同的、与尺寸和结构相关的性质和现象。
注:操纵和控制包括材料合成。
聚集aggregate
颗粒牢固结合或融合在一起,外表面积显著小于计算出的个体成分的表面积总和。
注1:聚集在一起的力是强大的力,例如共价键,或由烧结或复杂的物理纠缠所产生的力。
注2:聚集体也被称为“二级颗粒”,原始源粒子被称为“初级颗粒”。
团聚agglomerate
微弱结合的颗粒或聚集或两者的混合物的集合,其中所得到的外表面面积是近似于各个部件的表面面积的总和。
分散剂dispersing agent
用于将固体粉体材料分散到液体介质中,并形成均匀稳定的固液分散体的一类化学物质。
参照材料reference material
具有充分重现性的一种或多种特性值,并经适当鉴定过的材料。能用于标定仪器、评价测量方法或给材料赋值的材料或物质。
代表性测试材料representative test material
物质,相对一个或多个特性足够均匀和稳定,假设非常适合在建立测量或测试方法中使用,除了那些均匀性和稳定性已经证明的特性外的目标特性。
注1:代表性测试材料也许对其它特性是一个参照材料,对目标特性是一个候选参照材料。
注2:在参照材料还不能制备情况下,代表性测试材料在实验室间或实验室内方法建立中可以是一种有用的工具。
量值溯源metrological traceability
通过文件化的不间断的校准链将测量结果与参考对象联系起来的特性,每次校准对测量不确定度有贡献。
1 欧盟新兴与新识别健康风险委员会-医疗器械中应用的纳米材料潜在健康效应指导原则Guidance on the Determination of Potential Health Effects of Nanomaterials Used in Medical Devices, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR) 2015
2 “关于纳米生物材料类医疗器械产品分类调整的通知国食药监械[2006]146号”
3 GB/T 16886.1“医疗器械生物学评价第1部分:风险管理过程中的评价和测试”
4 YY/T 0993-2015 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)
5 YY/T 1295-2015 医疗器械生物学评价纳米材料:细菌内毒素试验
6 YY/T 1532-2017 医疗器械生物学评价纳米材料溶血试验
7YY/T 0316-2016 医疗器械风险管理对医疗器械的应用
8 GB/T 16886.9医疗器械生物学评价–第9部分:潜在降解产物的鉴别和定量框架。
9 GB/T 16886.13医疗器械生物学评价–第13部分:聚合物医疗器械降解产物鉴别和定量。
10GB/T 16886.14医疗器械生物学评价–第14部分:陶瓷降解产物的鉴别和定量。
11 GB/T 16886.15医疗器械生物学评价–第15部分:金属和合金降解产物的鉴别和定量。
12 GB/T 16886.18医疗器械生物学评价–第18部分:材料化学表征。
13 GB/T 16886.19医疗器械生物学评价–第19部分:材料理化、形态学和形貌学表征。
14欧盟员会建议2011/696/EU) (EC 2011)
15国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心《医疗器械安全和性能的基本原则》
16国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心《含药医疗器械产品注册申报资料撰写指导原则》
17 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)
18 医疗器械动物实验研究技术审查指导原则第二部分:实验设计、实施质量保证
19 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心《医疗器械产品受益-风险评估注册技术审查指导原则(2019年第79号)》
20 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心《医疗器械临床评价技术指导原则》
21 《医疗器械注册管理办法》
22《医疗器械临床试验质量管理规范》(第25号)》
23 陈亮,徐丽明,邵安良,段晓杰,蒋兴宇,陈春英,赵玉云,白茹,谢黎明,吴晓春,刘颖,纪英露。含银敷料中银的表征和体外释放实验技术共识,中国药事,2018, 32(8):1005-1010
24文海若,徐丽明,陈亮,邵安良,淡墨,王雪,纳米材料遗传毒性试验方法选择的技术共识,中国药事,2018, 32(8):1011-1019
25姜珊,陈亮,吴美玉,魏利娜,刘颖,纪英露,吴晓春,谢黎明,吴刚,徐丽明, 纳米金银棒在3D皮肤模型中的透皮性及对皮肤组织活力的影响.药物分析杂志, 2019,39(3):399-406.
26姜珊,魏利娜,张艳云,吴美玉,邵安良,王璐,柳琳,刘颖,谢黎明,吴刚,陈亮,徐丽明,基于HaCaT三维表皮模型的纳米银毒性及其毒性机制研究,药物分析杂志, 2019. (12):2107-2116.
27杨晓芳,奚廷斐.医疗器械的免疫毒性评价[J].生物医学工程学杂志,2007,24(5):1191-1195.
28王延琳,马玉媛,赵雄, 等.植入性医疗器械的临床前免疫毒性评价[J].医疗卫生装备,2017,38(8):117-121,126.
29常旭红,张钰,王蓓, 等.纳米颗粒肺毒性的研究进展[J].卫生研究,2012,41(4):695-697,702.
30 张智勇, 等. 纳米毒理学与安全性研究方法[M]. 北京: 科学出版社,2010
31 梅兴国. 纳米毒理学原理与方法[M]. 北京: 科学出版社,2019
32 ISO/TR 13014, Nanotechnologies — Guidance on physico-chemical characterization of engineered nanoscale materials for toxicologic assessment
来源:中国器审