一次性使用膜式氧合器材料部件的植入试验结果评价

莫怡飞 杨立峰 黄燕倩 张晓丽 卢玉沛 杨文润 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

内容提要： 目的：通过植入试验来评价一次性使用膜式氧合器材料部件在动物体内的组织相容性情况，为临床前安全性评价提供资料与提示。方法：根据GB/T16886.6-2015/ISO 10993.6-2016中推荐的方法将植入物插入实验动物的肌肉组织内，经过1周、4周观察期后，取植入部位的组织进行评价，对试验样品植入物与对照品植入物的组织反应进行比较。结果：试验过程中，动物无异常，在植入后1周和4周时，各部件样品的刺激指数均在0～2.4范围内。结论：结果显示该产品具有良好的组织相容性。

因新型冠状病毒肺炎疫情而进入大众视野的体外膜氧合器（Extracorporeal Membrane Oxygenerator，ECMO）是目前世界上最先进的体外生命支持技术之一，也是全球疫情中有效降低病死率的关键抗疫设备。因为膜式氧合器其应用肝素化涂层技术和中空纤维膜技术可以更好地提供生物相容性和良好的气体交换功能，安全治疗患者能力提高，被临床广泛接受[1]。但由于此类器械产品作为三类医疗器械，在应用于患者的治疗和康复过程中可能对人体具有潜在危险，需要对其安全性和有效性进行严格控制。因此，该类产品作为三类医疗器械需要做临床前的生物学评价，除具备良好的血液相容性外，也要具备良好的组织相容性[2]。本文通过植入试验对国内某企业的一次性使用膜式氧合器材料部件进行生物学评价，为产品临床前生物学评价提供数据参考。

1.材料与方法

1.1 一般材料

试验材料：一次性使用膜式氧合器材料部件的主要成分为聚碳酸酯（PC）、聚4-甲基1-戊烯（PMP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨基甲酸酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚醚醚酮（PEEK）、磷酸胆碱、氧化铝（Al2O3）。产品各部件分别有：氧合器盖、氧合膜、热交换膜、排气延长管管路、鲁尔公接头、三通阀、鲁尔帽、排气过滤器、浇铸材料、管道管路、二通接头、压力传感器芯片、轴承、滚珠、泵头外壳、叶轮。将试验材料裁剪为长约10mm，宽约1mm的小段作为植入用试验样品。对照品材料：HDPE，来源于美国USP，对照品同法裁剪为长约10mm，宽约1mm的小段。

实验动物：SPF级SD大鼠，体质量210～250g。由广东省医学实验动物中心提供（许可证号：SCXK（粤）2018-0002）。饲养条件：温度：20～26˚C，湿度：40%～70%。试验操作过程中动物处理符合动物伦理的要求[3]。

仪器设备：生物安全柜（山东新华医疗），光学显微镜（徕卡公司），二氧化碳麻醉箱（南京驰顺科技有限公司），全封闭式组织脱水机（深圳达科为），组织包埋机（anAtomic），全自动切片机（徕卡公司），密封式全自动染色机（德国MICRON），全自动玻片封片机（德国MICRON）。

1.2 方法

本试验的起止时间：2021年7月8日～2022年4月1日。将SD大鼠麻醉后，用75%乙醇和2%碘伏消毒手术部位，采用套管针植入法，将1个试验样品沿肌纤维长轴平行植入大鼠臀肌内，同法在脊柱另一侧臀部植入1个试验样品。对照组动物同法操作植入对照品。手术后观察动物术后恢复状态，定期观察动物有无异常状态。分别于1周、4周无痛处死动物，对组织进行肉眼观察，切取包括植入物及其周围足够多未受影响的组织，用10%福尔马林固定液固定后，制作石蜡组织切片标本，苏木素-伊红（HE）常规组织染色，根据国内外标准GB/T16886.6-2015《医疗器械生物学评价 第6部分：植入后局部反应试验》[4]或ISO 10993.6-2016Biological evaluation of medical devices -Part 6: Tests for local effects after implantation[5]附录E中的半定量评价系统进行组织学评价。

2.结果

试验过程中，动物无异常，在植入1周和4周后分别取出样品及对照品进行组织学评，在植入1周后，试验样品周围可见淋巴细胞中度浸润，多核白细胞和巨噬细胞轻度浸润，纤维囊腔形成，囊壁中等厚度，主要见纤维母细胞和纤维细胞，周围轻微毛细血管增生。对照品周围见淋巴细胞、多核白细胞和巨噬细胞轻度浸润。纤维囊腔形成，囊壁中等厚度，主要见纤维母细胞和纤维细胞，周围轻微毛细血管增生。各种材料部件的刺激指数分别为：氧合器盖部件1.4；氧合膜部件1.4；热交换膜部件0.4；排气延长管管路部件1.6；鲁尔公接头部件1.0；三通阀部件1.4；鲁尔帽部件1.1；排气过滤器部件1.2；浇铸材料部件1.2；管道管路部件1.4；二通接头部件1.3；压力传感器芯片部件1.0；轴承部件0.6；滚珠部件0.8；泵头外壳部件0.2；叶轮部件0.7。

在植入4周后，试验样品周围可见淋巴细胞中度浸润，巨噬细胞和多核白细胞轻度浸润，纤维囊腔形成，囊壁薄，主要见纤维母细胞和纤维细胞，周围轻微毛细血管增生。对照品周围见淋巴细胞、巨噬细胞和多核白细胞轻度浸润。纤维囊腔形成，囊壁薄，主要见纤维母细胞和纤维细胞，周围轻微毛细血管增生，偶见极少量脂肪细胞。各材料部件的刺激指数分别为：氧合器盖部件1.2；氧合膜部件0.6；热交换膜部件0.2；排气延长管管路部件0.7；鲁尔公接头部件1.0；三通阀部件0.7；鲁尔帽部件0.4；排气过滤器部件0.2；浇铸材料部件1.2；管道管路部件0.1；二通接头部件0.2；压力传感器芯片部件0.1；轴承部件1.0；滚珠部件1.2；泵头外壳部件2.4；叶轮部件0.8。各种材料部件在植入1周和4周的刺激指数情况见表1。样品的组织学观察图片：1周镜下50倍见图1；1周镜下200倍见图2；4周镜下50倍见图3；4周镜下200倍见图4；对照品的组织学观察图片：1周镜下50倍见图5；1周镜下200倍见图6；4周镜下50倍见图7；4周镜下200倍见图8。

表1.材料植入后各周期的刺激指数

图1.1周观察组（5×10）

图2.1周观察组（20×10）

图3.4周观察组 （5×10）

图4.4周观察组 （20×10）

图5.1周对照组 （5×10）

图6.1周对照组 （20×10）

图7.4周对照组 （5×10）

图8.4周对照组 （20×10）

3.讨论

自从ECMO被用来为严重心肺功能衰竭的患者提供持续的体外呼吸和循环以挽救无数生命以来，特别是在新型冠状病毒肺炎疫情期间，发挥了重要作用。ECMO是心肺转流术（Cardiopulmonary Bypass，CPB）技术范围的扩大和延伸，ECMO可对需要外来辅助的呼吸和（或）循环功能不全的重危患者进行有效的呼吸循环支持。ECMO俗称“人工心肺机”，被誉为现有体外循环技术的“王者”。ECMO最核心的部分是膜肺和血泵，即体外膜肺氧合器，分别起人工肺和人工心脏的作用，其原理是通过血泵代替心脏、膜肺代替肺，将携氧的动脉血持续运输到人体，形成体外生命循环支持，保障各个器官运转，从而维持生命。从体外循环中氧合器的使用情况来看，鼓泡式氧合器的使用率明显下降，而膜式氧合器，不同于鼓泡式氧合器，由于血液和氧气不直接接触，通过高分子渗透膜进行气体交换，更接近于肺的气体交换。当前膜式氧合器的研究热点集中在：①气体交换。需求的气体交换量是变化的，用作自然肺部分功能的补充时需要1/2的基本流速，用作移植过渡中的代替时需要2倍的流速。②血液相容性。包括接触活化、血小板激活以及因此而产生的、血纤维蛋白溶酶系统的激活、补体和白细胞的激活等。③血液动力学的相容性。血液动力学相容性包括对组件附件的考虑、血液流经自然肺循环的设计和需求、右心的后负荷、左心房和左心室的充盈。④设备的大小和形状[5,6]。除了当前热点问题需要解决外，还应当关注产品各种材料对人体潜在的局部组织炎症反应。

本文通过以上植入试验对一次性使用膜式氧合器的各种材料部件进行了生物学评价，与对照品相比较，各种材料部件在植入后1周和4周时，其刺激指数在0～2.4范围内，按照GB/T16886.6-2015/ISO 10993.6-2016标准判定，该产品的各种材料均被判为无刺激。其中，膜式氧合器的核心材料氧合膜和热交换膜的刺激指数都比较低，说明该材料对人体组织的局部刺激性是比较低的。由以上植入试验结果显示该产品具有良好的组织相容性。当然，按照该国内外标准从植入试验的角度对产品材料进行评价，主要考虑的是实验动物组织学反应的强弱，根据组织学反应的强弱判定材料是否具有良好的组织相容性[8]。但这只是判定该产品具有良好的生物相容性依据之一，还需要血液相容性试验、细胞毒性试验、皮肤致敏试验、皮内反应试验、急性全身毒性试验、溶血试验、遗传毒性试验、亚慢性全身毒性试验、热原试验等相关试验加以验证。

ECMO的重要复合材料之一是膜式氧合器，膜式氧合器的核心复合材料是中空纤维膜，它不仅是血液氧合的场所，也是血液和气体之间的屏障。然而，氧合器内血栓的形成是使用过程中的关键问题。根据血栓形成机制的研究发现，改善血液相容性是通过修饰材料表面来减少血栓形成的有效途径[9]。然而，不能为了改善血液相容性仅注重材料表面的修饰，而忽视了材料本身对于血液以及由血液循环至患者全身组织脏器所带来的潜在危害。所以，对于具有较高风险的三类医疗器械，特别是体外循环类器械，如膜式氧合器、空心纤维血液透析器、血液净化管路等医疗器械，大多数由多部件和不同材料组成，除了与血液接触的主要部件或材料需做生物学评价外，与血液接触的其他部件或材料也存在一定的潜在风险，应做相应的生物学评价，以便更全面分析该产品的安全性[10]。

目前，在国内外文献报道中，暂未发现膜式氧合器全部材料部件在植入动物体内的组织相容性相关情况报道，本文通过介绍国内某企业生产的膜式氧合器多部件组织相容性情况，为该产品临床前安全性评价提供一些参考性资料。此外，对于国产与进口的膜式氧合器，在周蓉等[11]的文章中指出，通过比较国产和进口膜式氧合器在心内直视手术中的性能评价指标（包括血清中白介素-6和肿瘤坏死因子- 的水平、血和尿游离血红蛋白含量、动脉血pH值、氧分压、二氧化氮分压、动脉血氧饱和度水平），发现国产膜式氧合器与进口膜式氧合器在各性能评价指标均无显著性差异。说明国产膜式氧合器性能已达到国际同类产品水平，又因其质优价廉、价格一般为同类进口膜式氧合器价格的一半，性价比高，可降低医疗费用。