材料化学表征是指通过分析化学方法，定性和定量地评估医疗器械或其组成材料在模拟临床使用条件下释放的可浸提物（extractables） 和可析出物（leachables） 的过程。这些化学物质可能来源于材料单体、加工助剂、降解产物、包装残留等，若超过安全阈值，可能对人体产生细胞毒性、致敏、遗传毒性等风险。

在医疗器械生物学评价体系中，化学表征与毒理学风险评估共同构成了“分析评价”路径，可作为部分动物试验（如全身毒性、遗传毒性、生殖毒性）的替代或补充，尤其适用于：

• 长期植入器械（>30天）

• 与血液直接接触的器械（如血管支架、人工心脏瓣膜、ECMO套件）

• 可吸收/可降解材料

• 含已知毒性物质（如增塑剂、残留单体）的器械

• 创新材料（无充分历史安全数据）

法规依据：ISO 10993-18（医疗器械生物学评价 – 第18部分：材料化学表征）是核心标准，同时需结合 ISO 10993-17（毒理学风险评估）及 ISO 10993-1（生物学评价总则）。NMPA、FDA、CE 均要求提交化学表征报告作为注册资料的一部分。

二、化学表征的核心概念与阈值

2.1 可浸提物（Extractables）与可析出物（Leachables）

• 可浸提物：在实验室强化浸提条件下（如极性/非极性溶剂、高温、长时间）从器械中释放的化学物质。它代表了器械在极端情况下可能释放的物质谱。

• 可析出物：在临床实际使用条件下（接触介质、温度、时间模拟真实场景）从器械迁移至患者体内的化学物质。可析出物是可浸提物的子集，但部分可浸提物可能因条件严苛而不会实际析出。

化学表征的目标首先是通过可浸提物研究全面筛查潜在风险物质，再通过可析出物研究精确评估临床暴露量。

2.2 分析评价阈值（AET）

AET（Analytical Evaluation Threshold） 是化学表征中判断是否需要对某一检出物质进行鉴定和定量分析的浓度界限。其计算公式基于毒理学关注阈值（TTC）或特定允许暴露量，并考虑分析方法的灵敏度。

通常：

• 对于总接触时长 > 30 天的器械，TTC 为 1.5 µg/天（适用于无遗传毒性数据的物质）。

• AET = TTC /（接触介质体积 × 安全因子），再转换为浓度（如 µg/mL 或 µg/g）。

只有浓度超过 AET 的物质才需要进行结构鉴定和毒理学风险评估。

三、化学表征的标准工作流程

一个完整的材料化学表征项目通常包含以下七个步骤：

3.1 器械信息收集与浸提策略设计

• 收集器械材料组成、加工工艺、添加剂、包装、灭菌方式等信息。

• 确定浸提溶剂：至少选用极性（如水、生理盐水）、非极性（如正己烷、二氯甲烷）及中等极性（如乙醇/水混合液）溶剂。

• 确定浸提条件：通常采用严于临床的极端条件（如 37℃、50℃、70℃，时间 24h、72h、7天），以释放尽可能多的可浸提物。

3.2 非靶向筛查分析

采用高分辨质谱技术对浸提液进行全面扫描，识别所有超过 AET 的色谱峰：

• 挥发性有机物（VOCs）：气相色谱-质谱联用（GC-MS）

• 半挥发及非挥发性有机物（NVOCs）：液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）或高分辨质谱（Q-TOF、Orbitrap）

• 元素杂质：电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）

3.3 结构鉴定

对超过 AET 的未知峰进行质谱图谱解析，结合保留时间、精确分子量、同位素分布、碎片离子信息，比对商业数据库（如NIST、Wiley、METLIN）或通过标准品确认。

3.4 定量分析

对已鉴定的关键物质，使用气相色谱（FID）、液相色谱（UV/ELSD）或质谱（MRM）进行精确定量，计算每器械或每重量的释放量（如 µg/器械、µg/mL）。

3.5 可析出物研究（如需）

设计临床模拟浸提条件（接触介质为血液、组织液，温度 37℃，时间等于临床使用时长），测定实际迁移到患者体内的物质浓度。

3.6 毒理学风险评估

依据 ISO 10993-17，计算每种物质的每日暴露量（TI），与已知的无可见有害作用水平（NOAEL） 或耐受摄入量（TI） 比较。若缺乏毒理学数据，可采用结构活性关系（SAR） 预测或使用 TTC 作为安全限值。

3.7 报告编制

出具符合 ISO 10993-18 及监管机构要求的化学表征报告，包括：浸提条件、分析仪器参数、检出物质清单（附保留时间、峰面积、定量结果）、结构鉴定依据、毒理学结论（是否超出安全阈值）。

四、化学表征常用的分析技术

一个专业的化学表征实验室通常配备以下技术平台：

• 气相色谱-质谱联用（GC-MS）：用于挥发性及半挥发性有机物（VOCs、SVOCs）的检测，包括单四极杆和三重四极杆型号。

• 液相色谱-高分辨质谱（LC-Q-TOF 或 LC-Orbitrap）：用于非挥发性有机物的筛查及未知物的结构鉴定。

• 液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）：用于已知痕量物质的高灵敏度定量（多反应监测模式）。

• 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）：用于元素杂质（重金属如铅、汞、镉、铬等）的痕量分析。

• 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：用于高分子材料官能团鉴定及非挥发性残留物（NVR）分析。

• 紫外-可见分光光度计（UV-Vis）：用于特定发色团物质的定量。

一个高水平的化学表征实验室应至少配备 GC-MS、LC-MS/MS 和 ICP-MS，并具备高分辨质谱用于未知物鉴定。

五、化学表征在不同医疗器械中的应用案例

案例1：输尿管支架（长期植入，接触尿液）

• 潜在可浸提物：增塑剂（DEHP）、抗氧化剂（Irganox 1010）、润滑涂层（聚乙烯吡咯烷酮降解产物）。

• 结果：DEHP 浓度超出 AET，经毒理学评估确认每日暴露量低于 TDI（可耐受日摄入量），风险可接受。

案例2：体外膜氧合（ECMO）循环套件（血液接触）

• 潜在可浸提物：增塑剂、环己酮（粘合剂溶剂）、环氧乙烷残留。

• 结果：环己酮浓度超过 AET，且无安全数据。需补充遗传毒性试验（AMES）以完成风险评估。

案例3：可吸收骨螺钉（聚乳酸材料）

• 潜在可浸提物：乳酸单体、低聚物、催化剂残留（锡）。

• 结果：锡元素浓度接近限量，提示需优化聚合工艺。

六、如何选择专业的化学表征检测机构？

企业委托第三方进行化学表征时，建议从以下维度评估：

1. 资质与合规性：是否具备 CNAS（ISO/IEC 17025）认可？检测项目是否覆盖 ISO 10993-18 全项？

2. 仪器配置：是否拥有 GC-MS、LC-MS/MS、ICP-MS 及高分辨质谱（Q-TOF 或 Orbitrap）？

3. 项目经验：团队是否有数百例以上化学表征实操案例？是否处理过类似材料（如聚氨酯、硅橡胶、聚乳酸、金属合金）？

4. 毒理学支持：是否具备毒理学专家，能够依据 ISO 10993-17 完成风险评估？

5. 报告认可度：出具的化学表征报告是否被 NMPA、FDA、CE 直接采信？是否有协助客户通过注册的成功案例？

6. 一站式服务：是否可同步提供生物学评价、动物实验、微生物检测等其他服务，避免多方协调？

七、威科检测集团材料化学表征实验中心

威科检测集团的材料化学表征实验中心是国内稀缺的专业第三方化学表征实验室，配备了国际领先的分析仪器，由资深专家团队领衔，已完成数百项医疗器械化学表征及毒理学风险评估项目，报告被 NMPA、FDA、CE 广泛认可。

7.1 核心资质与能力

• CNAS、CMA 双证认证（检测能力覆盖 ISO 10993-18 全项）

• 拥有独立的毒理学风险评估团队，可依据 ISO 10993-17 出具完整风险结论

• 实验室符合 GLP 规范，数据可追溯，满足多国注册要求

7.2 仪器设备配置

威科检测集团化学表征实验室配备的主要设备包括：

• GC-MS（气相色谱-质谱联用仪）：Agilent 8890-5977B，用于挥发性及半挥发性有机物的定性与定量。

• LC-MS/MS（液相色谱-串联质谱仪）：AB Sciex Triple Quad 4500，用于痕量物质的高灵敏度定量分析。

• LC-Q-TOF（液相色谱-四极杆飞行时间质谱）：Bruker Daltonics，用于未知物的高分辨结构鉴定。

• ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）：Agilent 7800，用于金属元素及重金属分析。

• FTIR（傅里叶变换红外光谱仪）：Thermo Nicolet iS50，用于非挥发性残留物（NVR）及材料官能团分析。

• 全自动固相萃取仪：Gilson，用于样品前处理，提高目标物质的回收率。

7.3 专家团队

• 曾晓君（化学领域负责人）：暨南大学有机化学硕士，医疗器械高级工程师、高级化学检验工程师，拥有 10 年以上质谱、色谱分析经验，主导完成超过 300 项化学表征项目。

• 张广湘（技术总工程师）：华南理工大学材料学硕士，医疗器械高级工程师，国家认可委实验室认可评审员，参与多项行业标准制定，擅长复杂材料解析。

• 毒理学专家：与国内一流毒理学实验室合作，可进行 SAR 预测、TTC 评估及 NOAEL 推导。

7.4 标准化工作流程（5-8 周完成）

1. 需求沟通与方案制定（3-5 个工作日）：根据器械分类、接触时长、材料组成，确定浸提条件和 AET 值。

2. 浸提实验（3-7 天）：按照 ISO 10993-12 要求，完成极性、非极性、中等极性三种溶剂下的封闭/动态浸提。

3. 非靶向筛查（5-10 个工作日）：GC-MS、LC-Q-TOF、ICP-MS 全扫描，检出所有超过 AET 的色谱峰。

4. 结构鉴定（5-10 个工作日）：质谱图谱解析，数据库比对，确证性标准品验证。

5. 定量分析（3-5 个工作日）：对目标物质建立标准曲线，精确定量。

6. 毒理学风险评估（5-10 个工作日）：计算暴露量，与 TTC、TI、NOAEL 比较，出具结论。

7. 报告整合与交付（3-5 个工作日）：出具中英文对照化学表征报告，支持 NMPA/FDA/CE 申报。

7.5 典型服务案例

• 输尿管支架（聚氨酯材料）：检出 DEHP、Irganox 1010，定量后确认风险可接受。

• 外科手术防粘连冲洗液（壳聚糖）：检出降解产物葡萄糖胺，毒理学评估无安全隐患。

• 一次性使用动静脉插管（PVC 材质）：检出环己酮残留，建议优化粘合工艺。

• ECMO 循环套件：检出多种抗氧化剂，需补充迁移试验及遗传毒性评估。

7.6 一站式协同服务

威科检测集团还可提供与化学表征配套的 生物学评价（GB/T 16886 全套）、大动物 GLP 试验、微生物检测、理化性能、EMC 及安规、灭菌验证、洁净环境检测 等，实现单一合同、统一对接，大幅降低企业的沟通成本和项目周期。

八、联系方式

如有化学表征检测、毒理学评估或相关技术咨询需求，欢迎联系：

• 业务咨询电话：

• 谢老师 13533651689

• 谢老师 13533951689

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