Bewertung der Biokompatibilität von Medizinprodukten

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Bewertung der Biokompatibilität von Medizinprodukten Michael Doser Workshop Innovatives Medizinprodukt was nun?, Denkendorf, Verein zur Förderung der Biotechnologie und Medizintechnik e.v. 1

2 Europas größte Textilforschungseinrichtung Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Institut für Textilchemie und Chemiefasern Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Zentrum für Management Research ITV Denkendorf Produktservice GmbH 2

3 Textilien für die Implantation Schläuche Gefäßprothesen Trachea, Oesophagus Separation Dura Patches Occluder Wundheilung Haut Nahtmaterial Trägermaterialien Tissue Engineering Drug Delivery Verstärkung Osteosynthese Sehnen Hernien Diagnostische Systeme Smart Textiles

4 Einrichtungen Biomedizintechnik (ITV und ITVP) Polymer Labor Synthese von bioresorbierbaren Polymeren Biokompatible Polyurethane Polymer Verarbeitung Spinnen von Mono- and Multifilament Garnen Div. Vliestechnologien Folien, Flachmembranen Kapillarmembranen Beschichtungen Extrusion, Spritzguss Faserverbundtechnik Textile Verarbeitung Stricken Wirken (2/3D) Weben Wickeln Flechten (2/3D) Vliese Flocktechnik Implantat Entwicklung Organersatz Zellträger f. Tissue Eng. Biohybride Organe Osteosynthese Textile Implantate Medizinprodukte Akkreditierte Prüflaboratorien Produktion von Polymeren u. Medizinprod. Entwicklung zertifiziert nach ISO 13485

5 Definitionen Biomaterial jedes Material, das für eine Wechselwirkung mit biologischen Systemen vorgesehen ist, um ein Gewebe, ein Organ oder eine Funktion im Körper zu bewerten, zu behandeln, zu unterstützen oder zu ersetzen. Biofunktionalität die Fähigkeit eines Materials, eine spezifische Funktion zu erfüllen. Biokompatibilität die Fähigkeit eines Materials, in einer spezifischen Anwendung eine angemessene Wirtsantwort hervorzurufen. (Prof. Williams, Liverpool)

6 Biokompatiblität Beeinflussbare Reaktionen: Veränderung des Materials (Degradation, Resorption) Lokale Gewebereaktionen Zu vermeidende Reaktionen: Sensibilisierung / Allergische Reaktion Beeinflussung von Infektionsprozessen Thrombusbildung bei Blutkontakt Zytotoxizität und systemische toxikologische Reaktion Teratogene Reaktion Mutagene /kanzerogene Reaktion

7 Normen und Richtlinien Prüfmethoden (Produktübergreifende, horizontale Normen): ISO Biological evaluation of medical devices DIN EN ISO Biologische Beurteilung von Medizinprodukten ISO Clinical Investigations of Medical Devices ASTM American Society for Testing and Materials OECD Guidlines for testing of chemicals Produktanforderungen (vertikale Normen): EP / USP Europäische / US Pharmakopöe ASTM American Society for Testing and Materials ISO / DIN Normen: z.b. ISO 5840 Herz- und Gefäßimplantate Herzklappenprothesen ISO Tierische Gewebe u.deren Derivate, die zur Herstellung von Medizinprodukten verwendet werden

8 Normen ISO 10993: Biological evaluation of medical devices Part 1: Evaluation and testing within a risk management system Part 2: Animal welfare requirements Part 3: Tests for genotoxicity, carcinogenicity and reproductive toxicity Part 4: Selection of tests for interactions with blood Part 5: Tests for in vitro cytotoxicity Part 6: Tests for local effects after implantation Part 7: Ethylene oxide sterilization residuals Part 9: Framework for identification and quantification of potential degradation products Part 10: Tests for irritation and sensitization Part 11: Tests for systemic toxicity

9 Normen ISO 10993: Biological evaluation of medical devices Part 12: Sample preparation and reference materials Part 13: Identification and quantification of degradation products from polymeric medical devices Part 14: Identification a.quantification of degradation products from ceramics Part 15: Identification a.quantification of degradation products from metals a.alloys Part 16: Toxicokinetic study design for degradation products and leachables Part 17: Establishment of allowable limits for leachable substances using health-based risk assessment Part 18: Chemical characterization of materials Part 19: Physico-chemical, morphological and topographical characterization of materials Part 20: Principles and methods for immunotoxicology testing of medical devices

10 Weitere Anforderungen an Biomaterialien Biomaterial muss: die Eigenschaften über den vorgesehenen Zeitraum erhalten mit gängigen Methoden sterilisierbar und pyrogenfrei verarbeitbar sein Pyrogene = Fieber auslösende Stoffe z. B. freigesetzte Stoffwechselprodukte von Bakterien Verursachen die gestörte Wärmeregulation im Hypothalamus Fieberreaktionen bis hin zu lebensbedrohenden Schockzuständen Spaltprodukte von Biomaterialien müssen auch biokompatibel sein bei erwünschter oder unerwünschter Biodegradation durch hydrolytischen oder enzymatischen Abbau Verschleißpartikel durch Reibung Korrosion (bei Metallen) 10

11 ISO Beurteilung und Prüfungen im Rahmen eines Risikomanagementsystems Relevante Punkte der biologischen Gesamtbewertung: das Material (die Materialien) zur Herstellung; vorgesehene Zusatzstoffe, herstellungsbedingte Verunreinigungen und Rückstände (siehe ISO zu Ethylenoxid-Rückständen); herauslösbare Bestandteile (siehe ISO ); Abbauprodukte (siehe ISO für allgemeine Grundsätze bzw. ISO , ISO und ISO zu Abbauprodukten aus Polymeren, Keramiken und Metallen); andere Bestandteile und ihre Wechselwirkungen im Endprodukt; Leistungsverhalten und Merkmale des Endproduktes; physikalische Merkmale des Endproduktes, einschließlich Porosität, Teilchengröße, Form und Oberflächenmorphologie, jedoch nicht darauf beschränkt Prüfung am Endprodukt. 11

12 ISO Systematisches Vorgehen als Teil eines Risikomanagementprozesses 12

13 ISO Zu erwägende Prüfungen 13

14 ISO Tierschutzbestimmungen Relevante Aspekte des Tierschutzes: Rechtfertigung für Tierversuche Versuchsstrategie Abfolge von In-vitro- und In-vivo-Prüfungen Pflege und Unterbringung der Tiere Sachkunde des Personals Human bestimmte Endpunkte (Ethik) Validität der Versuchsergebnisse (QM, GLP) 14

15 ISO Prüfungen auf Gentoxizität, Karzinogenität und Reproduktionstoxizität OECD Prüfmethoden Genotoxizität in vitro: 471: Bacterial Reverse Mutation Test 476: In vitro Mammalian Cell Gene Mutation Test 479: Genetic Toxicology: In vitro Sister Chromatid Exchange Assay in Mammalian Cells OECD Prüfmethoden Genotoxizität in vivo: Nur wenn in vitro-tests positiv waren!! 474: Mammalian Erythrocyte Micronucleus Test OECD Prüfmethoden Kanzerogenität (in vivo): 451: Carcinogenicity Studies 453: Combined Chronic Toxicity/Carcinogenicity Studies OECD Prüfmethoden Reproduktionstoxizität (in vivo): 421: Reproduction/Developmental Toxicity Screening Test 15

16 Mutagene / Cancerogene Reaktion Veränderungen an der Erbsubstanz (DNS, Chromosomen): langfristige Wirkung : (Krebs, Vererbungsschäden) Mutationsarten: - Genommutationen - Chromosomenmutationen - Punktmutationen Tests: - Zellkulturen (Chromosomenabberation) - Ames-Test tt.paper6.com

17 Teratogene Reaktion Keimschädigende Wirkung: Schwangerschaftsmonat (Organentwicklungsphase) Tests: bei Fötuskontakt, Energiefreisetzung, degradierbaren Materialien - Tierversuche (schwangere Nagetiere) - Nabelschnur-Test (Substanzdurchtritt) Wdr.de Aref.de

18 ISO Universität Stuttgart Lehrstuhl für Textiltechnik Auswahl von Prüfungen zur Wechselwirkung mit Blut Blutkontaktmaterialien: Gefäßprothesen, Herzklappenprothesen, künstliche Herzen,... Anforderungen an Blutkontaktmaterialien: - Vermeidung von Turbulenzen im Blutstrom - keinen unerwünschten Einfluss auf den Koagulationsmechanismus des Blutes - keine Wechselwirkung mit dem Elektrolyt- bzw. Gasstoffwechsel - nicht- oder antithrombogenes Verhalten der Oberfläche keine Bildung von Thromben, Embolien 18

19 Blutkontakt: Proteinadsorption, Antithrombogenes Verhalten Blutkontakt von Fremdmaterialien führt zur Proteinadsorption bzw. Wechselwirkungen der Proteine untereinander und mit der Kunststoffoberfläche Förderung oder Verhinderung der Bildung eines Thrombenbelages Proteinadsorption hängt auch von der Fließgeschwindigkeit des Blutes ab Antithrombogenes Verhalten = aktive Reduzierung der Gerinnung Deponierung oder Bindung von gerinnungshemmenden und / oder fibrinolytischen (gerinnselauflösenden) Substanzen an der Materialoberfläche z. B. Heparin, Citrat, Thrombolytica,... Deponierung: Releasesystem bei dem über einen vorher bestimmbaren Zeitraum die Wirksubstanz abgegeben wird 19

20 Haemokompatibilität Blutgerinnung, Gerinnungshemmung, Fibrinolyse Fremdmaterial, verletzte Oberfläche Thrombozyt Von Willebrand Faktor Serotonin Gefäßverengung Citrat, EDTA (Ca-Bindung, Cumarine (Vitamin K-Antagonist) Hemmung Gerinnungsfaktoren Kaskade ACS Hemmung Thromboxan Thrombin Hemmung Prothrombin Antithrombin III Fibrinogen Fibrin Heparin Verstärkung Mh-hannover.de Plasminogen Plasmin Abbau Thrombus Zelluläre Hämostase Plasmatische Hämostase

21 ISO Auswahl von Prüfungen zur Wechselwirkung mit Blut 21

22 Haemokompatibilität Vermeidung einer Thrombusbildung / Calzifizierung bei Kontakten Biomaterialien - Blut - Gefäßprothese - Sensoren - Katheter - Stents - Herzklappen Keine Toxizität auf Blutkomponenten Optimaler Schutz: natürliche Endothelzellschicht Tests: in vitro (spezielle Perfusionskammern (Chandler-Loop) Parameter: Blutzellen, Komplement, Plättchen, Gerinnung (TAT) in vivo (z.b. AV-Shunt beim Tier, extrakorporal) Parameter: Explantat, makroskop. / histologische Beurteilung

23 ISO Prüfungen auf In-vitro-Zytotoxizität Applikationsarten: Direktkontakt Indirekter Kontakt Extrakt Tests in vitro mit Zellkulturen: Proliferation (Wachstumskurve) Klonkultur Agar-Overlay Vitalität (MTT, Trypanblau) Release-Assay (LDH, Chrom) Cytokin-ELISA (IL1, TNF-α) Agar-Overly mbresearch.com Universität Stuttgart Lehrstuhl für Textiltechnik Klonbildung 23

24 ISO Relevante Aspekte der Zytotoxizitätstest: Der Test ist Bestandteil jeder Biokompatibilitätsbewertung Der Test kann mit verschiedenen Verfahren / Endpunkten durchgeführt werden, die nicht immer zu den gleichen Ergebnissen führen Die Extraktionsbedingungen gehen vom worst case aus Die Auswahl der Verfahren sollte entsprechend dem bestimmungsgemäßen Gebrauch erfolgen: Extraktionen bei Langzeit-Implantaten, indirekte Verfahren bei begrenztem Hautkontakt Ein positives Ergebnis bedeutet nicht, dass das MP nicht geeignet ist oder nicht zugelassen werden kann Das Ergebnis muss im Rahmen der Risikoanalyse bewertet werden. Bei Implantaten haben in vivo-versuche (ISO ) eine hohe Relevanz 24

25 Round Robin Test 2005 / 2006 Colony Formation Assay: RM-A 0,00 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 0,25 100,0% 93,5% 90,6% 99,5% 0,0% 92,2% 71,8% 105,1% 100,9% 0,50 101,0% 108,3% 0,7% 96,9% 0,0% 102,9% 15,6% 105,5% 58,6% 1,00 0,0% 91,3% 0,0% 14,4% 0,0% 85,2% 0,0% 32,1% 0,4% 2,00 0,0% 17,0% 0,0% 1,0% 0,0% 16,3% 0,0% 0,0% 0,0% 4,00 0,0% 1,1% 0,0% 0,3% 0,0% 0,9% 0,0% 0,0% 0,0% 8,00 0,0% 0,5% 0,0% 0,0% 0,0% 0,5% 0,0% 0,0% 0,0% IC(50) 0,75 1,57 0,36 0,78 n.d. 1,51 0,44 0,84 0,57 RM-A [%] of control 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Extract conc. [%] Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 10

26 ISO Prüfungen auf lokale Effekte nach Implantationen Relevante Aspekte der Implantation: Probenherstellung Gewebe und Implantationsort (spezifische Hinweise f. Haut, Muskel, Knochen) Versuchstiere Prüfzeiträume Chirurgie, Randbedingungen Beurteilungen (makroskopisch, mikroskopisch, Reaktionen) 26

27 Weitere Normen der ISO Ethylenoxid-Sterilisationsrückstände ( :2008): Ethylenoxid ist toxisch und muss durch Entgasung entfernt werden Rahmen zur Identifizierung und Quantifizierung von möglichen Abbauprodukten ( :2010): Übersicht über verschiedene Prüfmethoden Besonders interessant für degradierbare und Mehrkomponenten-Produkte Prüfungen auf Irritation und Hautsensibilisierung ( :2010): Prüfungen bisher ausschließlich als Tierversuch: - Irritationstest auf der Haut (Kaninchen, Erythem-, Ödembildung) -- spezielle Verfahren für Auge, Schleimhäute - Sensibilisierung: -- lokaler Lymphknoten-Test (LLNA, Lymphozytenvermehrung) an der Maus, -- Maximierungstest am Meerschweinchen (GPMT, Erythembildung); harry-hilft-tieren.de 27

28 ISO Prüfungen auf systemische Toxizität Pfeilschwanzkrebs (Limulus) Ursachen: - Lösungsmittel - Additive - Sterilisation - bakterielle Toxine - Degradationsprodukte Tests in vivo: - Akuter systemischer Test - Subakuter systemischer Test - Pyrogenitätstest britannica.com 28

29 Normen ISO 10993: Biological evaluation of medical devices Part 12: Sample preparation and reference materials Part 13: Identification and quantification of degradation products from polymeric medical devices Part 14: Identification a.quantification of degradation products from ceramics Part 15: Identification a.quantification of degradation products from metals a.alloys Part 16: Toxicokinetic study design for degradation products and leachables Part 17: Establishment of allowable limits for leachable substances using health-based risk assessment Part 18: Chemical characterization of materials Part 19: Physico-chemical, morphological and topographical characterization of materials Part 20: Principles and methods for immunotoxicology testing of medical devices

30 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf