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醫療器械加速老化試驗確定有效期的基本原理與方法
發布時間:2021-12-30 356
  新研究的醫療器械在上市之前,應確保在儲存期(通常1至5年)內產品的質量方面,不得對安全性與有效性產生影響,新產品通常沒有實時和儲存周圍環境條件下確定有效期的技術資料。
 
  若根據實際貯存時間和實際環境貯存條件進行檢測,則需要較長時間才能獲得結果,為保證獲得實時有效期結果,必須對醫療器械加速老化試驗提供確定有效期的試驗數據。
 
  醫療器械設計人員如何準確地預測聚合物性能的變化,對實現醫療器械產業化具有十分重要的意義。很難建立聚合物材料退行性變的動態模型,事實上材料短時間內產生的變化或變性的單速率表達形式可能不能充分反映研究的產品或材料在較長有效期的實際情況。為了設計試驗方案能準確模擬醫療器械時間相關的退行性變,有必要對材料的組成、結構、成品的用途、組裝和滅菌過程的影響、失效模型機制和儲存條件有深入的了解。
 
  一個給定的聚合物具有以各種方式(晶體、玻璃、不定形等)組成的很多化學功能基團,并含有添加劑如抗氧化劑、無機充填劑、色素和加工助劑。所有這幾個變量的總,結合產品使用與儲存條件變量,決定了材料的化學性能的退行性變。值得慶幸的是,生產醫療器械的大部分都是采用常用的幾種高分子材料,這些材料已經廣泛使用并且都進行了良好的表征。
 
  按照以碰撞理論為基礎的阿列紐斯模型建立的加速老化簡化實驗方案,也稱“10度原則”,可在中度溫度范圍內適用于良好表征的聚合物,試驗結果可以在要求的準確度范圍內。
 
  醫療器械或材料的老化是指其性能可以隨時間而發生的變化,尤其是與安全性和有效性方面的性能。加速老化是指將產品放置于比正常儲存或使用環境更嚴格或惡劣的環境下,在較短的時間內測定器械或材料在正常使用條件下的發生變化的方法。
 
  采用的主要原因是可以將醫療器械產品早日上市是實施加速老化實驗合格測試合格的主要原因。主要目標是能夠為病人與企業帶來好處,使病人能夠盡早使用這些最新的醫療器械,救死扶傷;企業能夠提高銷售額,而又不會帶來任何風險。在國內,醫療器械加速老化試驗技術雖然已經比較成熟了,但是這些技術在醫療器械產品中的應用還十分有限的。
 
  美國FDA已經就接觸眼鏡、藥物和生物制品等關于加速老化實驗發表了指導文件,還沒有加速老化試驗的標準。對于加速老化,國內還沒有確定醫療器械有效期的實驗指導原則。國外許多醫療器械生產企業根據這些指導原則和文獻建立自己的加速老化實驗方法。
 
  許多用于高分子材料醫療器械的加速老化實驗技術是根據阿列紐斯反應速率函數的零級、一級和假一級化學反應估算的。這一函數是依據大量化學反應的研究結果,化學反應產生變化的反應速率的增加或降低按照下公式:r=dq/dt=Ae-Φ/kt式中:r反應進行的速率;A材料的常數(頻率因子);Φ表觀活化能(eV);k波次曼常數(0.8617X10-4eV/K);T絕對溫度。
 
  公式經簡化可以用10度原則表示如下:r=dq/dt=C2[T2-T1]/10應該指出的是10度原則提供了室溫活化能小于0.7eV時一個保守的加速因子,由于指數效應,在量級上應該有一定的保守性。在某些情況下,通過采用其他5℃至20℃溫度差改良的10度原則能夠令老化模型與室溫試驗數據之間有較好的吻合。
 
  10度原則在醫療器械有效期的確定時盡管具有一定的保守性,然而,醫療器械加速老化試驗確定的有效期,需要在產品正常儲存與使用條件下實時試驗結果進一步驗證。產品上市前在進行加速老化試驗的同時應進行連續“室溫”條件下的老化試驗,并且室溫老化試驗時間要比產品實際使用時間要長,這一點是十分重要的,尤其是對于重要的醫療器械或器械部件的合格試驗。
 
  醫療器械產品的功能特性取決于原材料的特性,因為這類材料大多數是高分子材料,他們的性能和隨時間變化引起的固有結構和構象的降解速率有關。這種降解主要是化學性的,有氧化鏈斷裂、氧化水解、結晶度變化和受環境影響的其他因子的綜合效應。
 
  在加速老化時,都應該考慮任何因時間變化影響產品功能特性的因素。進行試驗時的應急水平高于一般情況,無論是溫度、濕度、輻射、溫度周期變化、化學環境還是其他因素。應用這種物理學上適度的統計模型如10度原則加速老化條件下的結果和正常工作或儲存條件的結果有很好的相關性。
 

  無論采用何種醫療器械加速老化試驗方案,在進行加速老化試驗研究時都應考慮多種影響因素:

 
  (1)在確立醫療器械加速老化試驗方案時,選擇的環境條件應代表在實時正常使用環境老化條件下真實發生產品失效的條件。
 
  (2)驗證試驗可以作為破壞試驗的補充替代,驗證試驗要求在規定的時間點結束時進行試驗,然后返回到老化環境中繼續試驗,然而這種方法只適用于當驗證試驗值的選擇不會削弱檢測的產品性能時。
 
  (3)當使用的加速老化試驗模型有一個非線形關系,即在某些溫度下,而不是所有試驗溫度發生了多發性化學反應,二級或三級復合反應或自動催化反應。在這種情況下,增加溫度會不利于惡化在工作或儲存條件下的材料性能。在這樣的情況下,應考慮在儲存條件或正常使用條件下進行老化試驗。
 
  (4)如果可能,采用的加速老化試驗,應在高應急條件較短的時間內進行,以便推導主要的失效模式。根據產品或產品部件主要的降解機理和應急知識,可以明顯提高試驗計劃的效果,這些應急條件可以采用加強的環應急條件如溫度、氧、化學物質或輻射。通常輻射是最好采用的應急條件,因為降解途徑通常和加熱或氧誘導的降解非常類似。
 
  在開始正式實驗前用100kGy(10Mrd)或更高劑量輻射產品,可以發現產品老化的根本,并且有目標的進行試驗設計。對于上市的產品,了解產品可能老化失效的模式,可以通過調查研究顧客的抱怨文件中取得線索。
 
  (5)所有試驗單位應包括構成產品的相同成分和部件,采用常規生產相同的過程、方法和程序生產的產品。另外,最終包裝產品應進行一個標準的消毒周期,需要附加的消毒周期或幾種不同的消毒方法結合使用可以代表更惡劣的常規生產情況。

 


 

  2簡化試驗方案(10度原則)

 
  對已進行了表征的高分子材料,加速老化試驗的簡化方法為:在試驗時,按單一加速溫度進行,并且采用的原則是化學反應速率每增加10℃隨Q10因子的增大而加速。對于常用的醫用高分子所選擇的典型關系是Q10=2,也就是說在高于使用或儲存溫度時每增加10℃反應速度加倍。醫療器械加速老化試驗確定有效期的簡化試驗方案,不可以代替復雜的加速老化試驗方案。但是簡化試驗方案是和零級、一級阿列紐斯行為相同的。這種保守的關系在大部分已經確定的醫用高分子材料中都是適用的。
 

  采用簡化10度原則設計加速老化試驗的步驟如下:

 
  (1)確定高分子配方中的成分,尤其是確定這些成分的質和量,所有的添加劑(例如,抗氧化劑)、填充劑和加工助劑。將這些成分的材料分別和綜合分析,以確定降解的基本原理,選擇試驗方法準確評價降解的程度和對產品性能的影響。
 
  (2)在以前的試驗中,若不測定其他的反應速率系數,選擇反應速率系數Q10=2。
 
  (3)選擇產品在正常使用和儲存條件的環境溫度(通常在20~25℃)。雖然能夠選擇其他合理的溫度,但對大多數一次性使用醫療器械來說首選22℃。
 
  (4)為了在最大程度上縮短試驗時間,選擇加速老化試驗的溫度盡可能高,但應該考慮以下限制條件:1)老化試驗的溫度不能超過材料的玻璃化溫度(Tg),熔融溫度(Tm),結晶形成溫度(Tα),或低于10℃熱變形溫度(THDT-10℃)。這個適用于上述溫度高于大氣溫度的所有材料。2)選擇的加速老化試驗的溫度應不超過60℃,根據本方法估算的準確度隨著大氣環境溫度偏差的增大而減少。3)如果不涉及特殊的溫度敏感性材料(如聚氯乙烯),最適合的首選試驗溫度是50~60℃。在60℃,加速老化的時間關系是3.7周相當于1年在大氣環境22℃(室溫)的老化。
 
  (5)對所選用的加速老化與大氣環境溫度,試驗期限與有效期的關系如下:TIMETI=TIMERT/Q10(T1–TRT)/10這里T1=加速老化溫度,TRT=室溫(大氣環境/使用/儲存),Q10=反應速率系數。以下是對這一公式應用的示例,如果試驗溫度是50℃,要求產品在22℃(即T1=50℃,TRT=22℃,Q10=2)大氣環境的有效期相當于5年,則正確的計算如下:TIMETI=260weeks/2(50-22)10=260/22.8=260/6.96=37.5weeks也就是說,在5℃進行37.5周的加速老化時間等于在大氣環境溫度22℃,有效期5年(即7.5周/年)。
 
  (6)在某些情況下產品的匹配部件的膨脹系數不同時會產生明顯的應力和部件失效,溫度需要進行高溫(加速老化)和低溫的周期變化,高溫(加速老化)按以上第4步的描述選擇溫度,低溫小于5℃。溫度低時,試驗時間不用累計至產品的最終有效期。
 
  (7)對某些高分子結構,極端的濕度效應影響長期的性能。如果在試驗設計中包括濕度,對于高濕度條件應采用相對濕度應大于85%,低濕度條件小于20%。
 
  (8)在試驗過程中應在一定的間隔時間取樣品進行檢測以測定產品開始出現失效的時間,但對試樣來源是有困難的,不應經常抽樣檢查。
 
  (9)選擇特殊的性能進行評價,試驗應能準確評價這些性能的任何變化。
 
  (10)選擇足夠數量的樣品進行試驗,以便在每個試驗間隔獲得的結果進行有效的統計學分析。試驗樣品通一般是終產品,在一些特殊情況下,產品組件與特殊制備的試驗樣品也可滿足要求。
 
  (11)在大氣環境(實時)老化試驗中,采用和加速老化試驗相同批次的產品/材料,老化試驗采用同樣的方式和時間間隔分組。另外,為了控制風險,大氣環境老化產品應在試驗過程中選擇一定的間隔時間和在產品的最終有效期后進行測試。
 
  (12)按照以上列出的步驟,提出書面試驗方案,規定加速老化條件(溫度、濕度、溫度周期、時間),時間框架,樣品大小,每個時間間隔規定的試驗項目。需要注意的是,因為多個試驗組(加速老化、大氣環境和對照組)和多個試驗時間間隔,以及試驗樣品較多,應對資源進行合理計劃,以保證老化試驗箱有足夠的老化空間、大氣環境儲存、人員和測試設備。
 
  (13)在適當的時間,從老化和對照組選擇樣品,對規定的項目進行檢測。
 
  (14)采用適當的統計學方法對產品的試驗結果進行統計分析,計算均值、標準偏差、比較t-檢驗和F-檢驗,以確定產品達到設計規定的要求或在每個試驗間隔和對照相比符合要求。
 

  3結論

 
  采用加速老化試驗的簡化試驗方案可以為醫療器械生產企業獲得新產品的關鍵性能和有效期數據的重要手段。用詞方法得出的結果是保守的,即加速老化試驗的有效期與實時老化相比,縮短了試驗的時間。另外,由于熱降解非實際發生的負面結果也會發生。應該注意的是,這一方案是假設所有材料按照零級和一級反應速率關系確定的,在整個研究的時間框架內反應物質的提供是保持恒定的。
 
  當對降解反應化學充分了解可以獲得更加可靠的結果,選擇中等的老化溫度可以使誤差因素降到最小,充分了解一些對升高溫度敏感的反應物質(如,抗氧化劑、自由基)。值得注意的是在整個試驗時間框架內反應速率是變化的,在一些情況下,建議采用多個試驗溫度或其他加速老化試驗方法。當產品采用以前沒有進行表征的材料時,建議也應該采用其他的方法。如果沒有獲得實時/大氣環境試驗結果,采用任何加速老化試驗方法都是有風險的。無論如何,設計的試驗方法提供的數據應該符合產品的標準要求。
 
  以上就是關于醫療器械加速老化試驗確定有效期的基本原理與方法的介紹,希望對大家有所幫助。
 
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