Токсикологическая и биологическая безопасность медицинских изделий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Экспертная оценка

<

о

Токсикологическая и биологическая безопасность медицинских изделий

С. Я. Ланина, В. Ю. Суслова, Н. Е. Беняев

Национальный научный центр токсикологической и биологической безопасности медицинских изделий, г. Москва, Россия

Для обеспечения безопасности применения материалов и изделий медицинского назначения обоснована необходимость санитарно-химических и биологических исследований на всех этапах их разработки и промышленного выпуска. Показана возможность использования современных методов физико-химического анализа для установления причины токсического действия медицинских изделий и корректировки технологий их изготовления.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: миграция, идентификация, мономеры, допустимое значение, хроматографические методы анализа.

Широкое использование в клинической медицине, фармации и медицинской технике современных синтетических и природных материалов, металлов, сплавов, стекла, керамики и т. п. ставит перед профилактической токсикологией весьма важные научно-практические задачи — оценить биологическое действие материалов и изделий медицинского назначения и обеспечить безопасность их применения [1, 2].

В настоящее время накоплена обширная информация о вредном воздействии различных материалов и изделий на живой организм. Эти материалы могут оказывать не только местнораздражающее, сенсибилизирующее и общетоксическое действие, но и вызывать отдаленные последствия, такие как гона-дотропный, эмбриотоксический, мутагенный и канцерогенный эффекты, что может быть обусловлено целым рядом факторов: токсичностью синтетических и природных материалов, металлов и сплавов, примесями в сырье, технологией изготовления материалов и изделий из них, используемыми технологическими добавками, красителями, катализаторами, способами и режимами очистки, дезинфекции, стерилизации, процессом хранения и т. д. Токсическими свойствами могут обладать и сами макромолекулы синтетических и природных материалов [3, 4].

В связи с этим одной из главных составляющих оценки биологического действия медицинских изделий (МИ) и материалов является оценка химической и биологической безопасности их применения. Такая оценка дается по результатам двух обязательных этапов исследований и испытаний: санитарно-химического и токсикологического. В задачу санитар-но-химических исследований входят идентификация, определение концентрации потенциально опасных химических соединений и сопоставление их с безопасными уровнями. В процессе токсикологических

исследований изучается воздействие материалов и МИ на организм.

В результате многолетних комплексных исследований, начатых во ВНИИИМТе (Всесоюзный научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники), а затем продолженных в ННЦ, разработана и научно обоснована система санитарно-химического и токсикологического контроля материалов и изделий медицинского назначения, начиная с этапа подбора материалов и заканчивая контролем готовой продукции на предприятиях. Очевидны три необходимых уровня контроля безопасности МИ и материалов соответственно трем этапам их создания

[1—3].

Первый этап — подбор материалов для изделий медицинского назначения осуществляется на базе данных справочной и научной литературы, нормативно-технической документации, различных перечней рекомендуемых полимерных материалов, сплавов и др. На этом этапе при необходимости проводится всестороннее токсикологическое исследование материалов с изучением свойств отдельных ингредиентов, технологических и функциональных добавок и т. д. Совместная работа инженеров, химиков и токсикологов способствует отбору оптимальных, с точки зрения экономики и профилактической медицины, материалов и позволяет осуществлять корректировку поиска с учетом требований безопасности уже на этапе разработки МИ.

Второй этап — токсикологические испытания готовых изделий в процессе создания опытных и макетных образцов, которые проводятся по унифицированным программам для изделий сходного назначения. Этот этап испытаний включает проведение токсикологических исследований лабораторных и полупромышленных образцов изделий, что обеспечива-

31

<

о s н о. ш с

о *

о «

S

ц, <

X

<

к

<

а о ч

ш ц,

о о

32

Рис. 1. Хроматограмма вытяжки из магнетитовых микросфер для очистки клеток крови и клеток костного мозга на сепараторе «МСК-1»

Колонка 1,2 м х 3 мм с 5 % Карбовакс 20М на Карбопаке В. Температура, °С: термостата колонки — 130, испарителя и детектора — 250. Газ-носитель — гелий, 45 мл/мин. Объем вводимой пробы 5 мл (АРП). Пик 1 — эпихлоргидрин (время удерживания 3,6 мин).

CL

О

L0 -О Ш

Рис. 2. Хроматограмма вытяжки из магнетитовых микросфер для очистки клеток крови и клеток костного мозга на сепараторе «МСК-1»

Колонка Hypersil ODS длиной 150 мм и внутренним диаметром 4,6 мм. Подвижная фаза — 57,5 %-ный водный ацетонитрил, 1 мл/мин. УФ-детектор при 246 нм. Объем вводимой пробы — 100 мкл. Пик 1 — стирол (время удерживания 6,23 мин).

I

ш

О

0

1

Х

ш

К

С

I

а ш

ет выбор наиболее оптимального из них и позволяет учитывать разнообразные факторы технологических процессов переработки материала в изделие (способы переработки, дезинфекции, предстерилизацион-ной очистки, стерилизации, температурные режимы и т. д.). В результате токсикологические испытания макетных образцов могут проводиться по сокращенным программам, что позволяет ускорить внедрение медицинских изделий в практику.

Третий этап — контрольные испытания серийно выпускаемой продукции. Внедрение еще одного дополняющего и завершающего этапа токсикологического контроля на пути МИ в клинику вызвано тем,

что биологическое действие изделия определяется как свойствами сырья, так и технологией его изготовления. В настоящее время отсутствует специальное сырье для изготовления МИ, что предопределяет возможные различия в биологическом действии изделий на основе одного и того же материала, все варианты которого невозможно предусмотреть на стадии испытаний макетных образцов. На первых двух этапах также не представляется возможным учесть все особенности работы производственной линии, особенно в начально-пусковой период. Контрольные испытания серийно выпускаемой продукции могут осуществляться как токсикологическими лабораториями, аккредитованными Ростехрегулированием на право проведения испытаний, так и заводскими лабораториями по специально разработанным и утвержденным методикам.

Результаты санитарно-химических исследований часто используются для корректировки технологии изготовления материалов и изделий из них. Это можно продемонстрировать на примере новых препаратов для онкологии — магнетитовых микросфер для очистки клеток костного мозга и клеток крови на сепараторе типа «МСК-1». При испытании изделий обнаружено выраженное токсическое действие на организм экспериментальных животных. С помощью хромато-графических методов анализа (высокоэффективной жидкостной и газожидкостной хроматографии) было установлено, что токсическое действие обусловлено миграцией из изделий избыточных количеств токсичных мономеров, используемых в их синтезе: стирола и эпихлоргидрина (рис. 1, 2) [5]. Обнаруженные концентрации стирола (0,39 ± 0,02 мг/л) и эпихлоргидрина (5,71 ± 0,05 мг/л) в десятки раз превышали допустимые (табл. 1) [6].

Таблица 1. Результаты исследования полимерных медицинских изделий

Объект исследования Анализируемое соединение Концентрация анализируемого соединения в вытяжках, мг/л Допустимое значение, мг/л

Магнетитовые микросферы Эпихлор-гидрин 5,71 ± 0,05; <0,005* 0,100

Стирол 0,39 ± 0,02; <0,01* 0,010

Интраокуляр-ные линзы ММА 4,0 ± 0,1 0,160 ± 0,002* 0,250

Интраокуляр-ные линзы ОКМ-2 0,73 ± 0,05 0,061 ± 0,005* 0,250

Изопропанол 56,4 ± 0,5 0,029 ± 0,004* 0,100

Примечание: ММА — метилметакрилат, ОКМ-2 — олигокарбо-натметакрилат. * Концентрация идентифицированных веществ в вытяжках из изделий после корректировки технологии их изготовления.

4 ту

СИЗ | 1 2|

Полученные данные послужили основанием для внесения разработчикам изделий предложений, направленных на устранение причин, вызывающих токсичность магнетитовых микросфер (дополимеризация полимерных композиций с последующей отмывкой, в случае необходимости, остаточных количеств мономеров). Повторные испытания изделий, изготовленных с учетом изложенных рекомендаций, свидетельствуют об отсутствии в вытяжках из магнетитовых микросфер стирола и эпихлоргидрина в пределах чувствительности определения (см. табл. 1).

Санитарно-химические испытания могут исключить необходимость проведения токсикологических исследований, если они предшествуют последним и если в результате анализа обнаружены высокие концентрации потенциально опасных соединений. Так, при оценке безопасности интрао-кулярных линз (ИОЛ) на основе полиметилметакрилата (ПММА) установлено, что уровень миграции из них свободного мономера — метилметакрилата (ММА) — достигает 4,0 ± 0,1 мг/л, что значительно выше допустимого (см. табл. 1). Полученные результаты, а также анализ технологии изготовления линз позволил установить причину миграции из них завышенных уровней мономера и рекомендовать разработчикам пути устранения: изменение конструкции накопителя раствора полимера, приводящей к его перегреву, сопровождающемуся деструкцией с отщеплением мономера, или отмывку готовых изделий проточной дистиллированной водой. Второй вариант с экономических позиций оказался оптимальным. При повторных испытаниях уровень миграции мономера (0,160 ± 0,002 мг/л) снизился до безопасного (см. табл. 1). Только после этого были проведены токсикологические исследования, которые подтвердили биосовместимость интраокулярных линз.

Аналогичная закономерность обнаружена при исследовании интраокулярных линз на основе

Т-1-1-Т-1-П—г

4 5 6 7 8 9 101112 мин

4 пг

сЦЗ-

1 2

56 78 дЮц

п—I—I—I—I—I—I—I

4 5 6 7 8 9 1011 мин

Рис. 3. Хроматограммы вытяжек из ИОЛ до (а) и после корректировки технологии (б)

Колонка Зорбакс ОДС длиной 250 мм и внутренним диаметром 4,6 мм. Подвижная фаза — 65 %-ный водный ацетонитрил, 1 мл/мин. УФ-детектор при 220 нм. Объем вводимой пробы — 100 мкл. Пик 2 — ОКМ-2 (время удерживания 5,0 мин).

Рис. 4. Хроматограммы вытяжек из ИОЛ до (а) и после корректировки технологии (б)

Колонка с 0,8 % ТНЕЕD на Карбопаке С. Температура, °С: термостата колонки — 70, испарителя и детектора — 150. Газ-носитель — гелий, 40 мл/мин. Объем вводимой пробы — 1 мкл. Пик 5 — изопропанол (время удерживания 3,5 мин).

олигокарбонатметакрилата (ОКМ-2), в технологии изготовления которых использовался в качестве растворителя изопропиловый спирт. И в этом случае с использованием высокоэффективной жидкостной и газожидкостной хроматографии доказана миграция из ИОЛ мономера и растворителя (рис. 3, 4).

<

О

I-

О.

ш с

о *

<9 «

<

X

<

■

К

< СО

о ч

ш ^

о о

33

<

о s н о. ш с

о *

о «

S <

X

<

К

<

со о ч

ш

ц

о о

Таблица 2. Концентрация идентифицированных веществ в вытяжках из порошков СВМПЭ

Образец Вещество Время удерживания, мин H2O GUR 4113 GUR 4120 «Полинит» Допустимое значение, мг/л H2O GUR 4113 GUR 4120 «Полинит»

Концентрация в вытяжке, мкг/л Содержание в порошке СВМПЭ, /•104

Формальдегид 11,122 0,90 ± 0,03 0,70 ± 0,03 1,04 ± 0,05 2,20 ± 0,08 0,100 4,5 3,5 5,0 11,0

Ацетальдегид 12,172 12,289 1,50 ± 0,07 1,71 ± 0,08 31,1 ± 1,5 1,6 ± 0,1 0,200 7,5 8,5 155,5 8,0

Гексан 5,275 2,30 ± 0,11 — — — 0,100 11,5 — — —

н-бутилбензол 15,261 — — — 0,40 ± 0,02 0,100 — — — 2,0

Стирол 15,789 — — — 0,30 ± 0,01 0,010 — — — 1,5

Толуол 9,529 — 5,90 ± 0,23 4,0 ± 0,2 — 0,500 — 29,5 20,0 —

34

CL

О

L0 -О Ш

I

ш

О

0

1 X

ш

0

1

ш

Как показали результаты исследований, уровни миграции остаточного мономера ОКМ-2 (0,73 ± 0,05 мг/л) и растворителя (56,4 ± 0,5 мг/л) существенно превышают допустимые. В результате усовершенствования технологии изготовления ИОЛ содержание ОКМ-2 и изопропанола снизилось до безопасных уровней — 0,061 ± 0,005 мг/л и 0,029 ± 0,004 мг/л соответственно (см. табл. 1).

Результаты санитарно-химических исследований использовались также для отбора оптимального материала или изделия из группы аналогичных по назначению.

Пример. Для изготовления одной из деталей эн-допротеза тазобедренного сустава — полимерной чаши — в шарнирах систем полимер/металл и полимер/керамика предполагается использовать сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), в полимерную матрицу которого вводится гидроксиапатит — Са10(РО4)6-Н2О (ГАП). Проведены сравнительные исследования трех марок порошков СВМПЭ, предлагаемых для изготовления полимерной чаши:

1. СВМПЭ производства фирмы TICONA, Германия. Торговая марка СВМПЭ GUR 4113. Молекулярная масса 4 млн г/моль.

2. СВМПЭ производства фирмы TICONA, Германия. Торговая марка СВМПЭ GUR 4120. Молекулярная масса более 10 млн г/моль.

3. СВМПЭ производства «Казаньоргсинтез», Россия. Торговая марка СВМПЭ «Полинит» марки Б. Молекулярная масса более 10 млн г/моль.

Для идентификации и определения концентрации ведущих с позиции токсичности химических соединений, мигрирующих из полимерных материалов в контактирующую среду и в определенных концентрациях представляющих опасность для организма, использовался высокочувствительный и селективный хромато-масс-спектрометрический метод анализа [7—9]. Среди продуктов миграции из 36 анализируемых веществ (алканы, кетоны, спирты, эфиры, ароматические соединения, нитрилы, силаны и др.) иден-

тифицировано только 6: формальдегид, ацетальдегид, гексан, н-бутилбензол, стирол, толуол (табл. 2).

Установлено, что в простейшую модель биосред (дистиллированную воду) из всех трех порошков СВМПЭ мигрируют альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), причем концентрация их в водных вытяжках пропорциональна содержанию в полимерных порошках. Большему содержанию альдегидов в порошках соответствует и более высокая концентрация их в вытяжках (см. табл. 2). Потенциальную опасность представляют те количества формальдегида и аце-тальдегида (и других продуктов миграции), которые в действующих дозах переходят из полимерных композиций в ткани и среды организма.

Концентрация формальдегида в водной вытяжке из порошков в зависимости от марки СВМПЭ находится в пределах от 0,70 ± 0,03 до 2,20 ± 0,08 мкг/л, что в 142 и 45 раз соответственно меньше допустимого значения [6].

Наибольшие уровни миграции ацетальдегида обнаружены в водной вытяжке из порошка марки GUR 4120 — 31,1 ± 1,5 мкг/л, что в 18 раз больше по сравнению с порошками GUR 4113 и «Полинит» марки Б (1,71 ± 0,08 мкг/л и 1,6 ± 0,1 мкг/л соответственно). Учитывая полученные результаты, именно порошки GUR 4113 и «Полинит» марки Б были рекомендованы для изготовления чаши эндопротезов тазобедренного сустава как наиболее оптимальные.

Следует отметить, что уровни миграции других идентифицированных веществ — гексана, толуола, стирола, н-бутилбензола — находятся примерно на 2—3 порядка меньше допустимых (см. табл. 2). В обнаруженных концентрациях перечисленные вещества не представляют опасности для организма, что подтверждено результатами токсикологических исследований.

ВЫВОДЫ

1. Обоснована необходимость проведения сани-тарно-химических и токсикологических исследова-

ний материалов и изделий медицинского назначения для обеспечения безопасности их применения.

2. Показана возможность использования результатов санитарно-химических и токсикологических исследований для корректировки технологии изготовления новых материалов и изделий для медицины, что приводит к сокращению сроков и средств, расходуемых на их разработку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лаппо В. Г., Ланина С. Я., Тимохина В. И. Токсиколого-гигиенический контроль полимеров и изделий медицинского назначения. Ж. Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева, т. XXX, № 4, 1985; 461—465.

2. Ланина С. Я., Второв И. Б., Лаппо В. Г. Санитарно-хими-ческие исследования как обязательный этап в оценке безопасности полимерных материалов и изделий для медицины. 1-я Международная научно-практическая конференция «Современные полимерные материалы в медицине и медицинской технике». С.-Петербург, июнь 2005; 216—221.

3. ГОСТ Р 52770—2007. «Изделия медицинские. Требования безопасности. Методы санитарно-химических и токсикологических испытаний».

4. Ланина С. Я., Ивлев Л. Я., Вдовина З. Н. Методологические и методические вопросы гигиены и токсикологии полимерных материалов и изделий медицинского назначения. Научный обзор. М., 1982; 61—86.

5. Стандарты серии ГОСТ Р ИСО 10993 «Оценка биологического действия медицинских изделий. Ч. 13. Идентификация и количественное определение продуктов деструкции полимерных медицинских изделий».

6. Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами. Гигиенические нормативы. ГН 2.3.3.972-00. МЗ РФ. М., 2000; 16—25.

7. Хмельницкий Р. А., Бродский Е. С. Хромато-масс-спектромет-рия. М.: Химия, 1984; 74—96.

8. Заикин В. Г., Микая А. И. Химические методы в масс-спектро-метрии органических соединений. М.: Химия, 1987; 68—116.

9. Карасек Ф., Климент Р. Введение в хромато-масс-спектромет-рию, пер. с англ. М.: Мир, 1993; 82—130.

Сведения об авторах:

Ланина Светлана Яковлевна

ведущий научный сотрудник, специалист в области оценки безопасности медицинских изделий, Национальный научный центр токсикологической и биологической безопасности медицинских изделий, канд. хим. наук

Суслова Вероника Юрьевна

специалист в области физико-химических методов анализа, Национальный научный центр токсикологической и биологической безопасности медицинских изделий

Беняев Негмат Ефремович

генеральный директор, Национальный научный центр токсикологической и биологической безопасности медицинских изделий, д-р техн. наук, профессор

Адрес для переписки:

129301, г. Москва, ул. Касаткина, д. 3 Телефон: +7 (495) 683-97-27 E-mail: [email protected]

RESEARCH. ANALYSIS. EXPERTISE

Expert Evaluation

35

Toxicological and Biological Safety of Medical Devices

S. Y. Lanina, V. J. Suslova, N. E. Benyaev

The necessity of sanitary-chemical and biological studies is proved for the safe application of medical materials and products through all stages of their development and manufacturing process. The use of modern methods of physico-chemical analysis is showed for determination of the cause of toxic effects and for adjusting the manufacturing technology.

KEYWORDS: migration, identification, monomers, chromatographic methods of analysis.