医疗器械灭菌方法和信息

尽管关于灭菌方法和设备的文献相当多，但关于灭菌对电子产品的影响的文章很少。本文比较了流行的灭菌方法，并讨论了它们对包含电子设备的物体的适用性。

由于半导体和封装技术的进步，如今集成电路（IC）出现在包括医疗设备在内的各种设备中。医疗应用面临的一个特殊挑战是需要保持产品无菌，不受真菌、细菌、病毒和孢子形式等有害污染物的影响。尽管关于灭菌方法和设备的文献相当多，但关于灭菌对电子产品的影响的文章很少。本应用笔记比较了常用的灭菌方法，并讨论了它们对含有电子元件的物体的适用性。

物理方法

有几种物理灭菌方法，其中最有效的一种在称为高压灭菌器的装置中将热量与湿度和压力相结合。

高压釜蒸汽灭菌

众所周知，医疗器械的热灭菌在古罗马就已经使用过。水分的存在显著加快了热量渗透（蒸汽灭菌）。高压灭菌器发明于1879年，将热量和水分与高压相结合。

工作原理1

高压釜是一个类似于压力锅的容器。它装满了要灭菌的物体，然后密封。接下来，高温蒸汽在高压下被迫进入，从而置换空气。湿热通过酶和结构蛋白的不可逆凝固和变性来破坏微生物。完成此操作的时间和温度取决于压力和要灭活的微生物类型。经过必要的时间后，释放蒸汽并去除灭菌的物体。整个周期可能需要 15 到 60 分钟（批处理）。

问题

高压灭菌适用于可以承受湿度、高压（高于环境温度 1 至 3.5 个大气压）和高温（+121°C 至 +148°C）的物体。典型的例子是手术器械。半导体器件通常可以处理高达+125°C的温度。 然而，将嵌入式电池暴露在高温下会显着缩短其使用寿命。使用浮栅技术的存储设备（如EEPROM）可能对高温敏感。但是，如果在+10°C下将数据保留指定为125年，则不应预期数据完整性损失。 否则，应偶尔刷新（重写）内存数据以恢复浮动门上的完全充电。这适用于激光调整的EEPROM。由于产品数据表中通常未指定装饰类型，因此可能需要联系供应商了解详细信息。

化学方法

在医疗领域有大量的化学方法用于灭菌。本节讨论一些流行的方法。化学方法可以与物理方法相结合。

环氧乙烷 （ETO） 灭菌

环氧乙烷 （ETO） 于 1859 年首次报道，并在 1900 年代初获得工业重要性。 用于保存香料的 ETO 灭菌于 1938 年获得专利。当几乎没有替代品可以对热敏和湿敏的医疗设备进行灭菌时，ETO的使用就得到了发展。

工作原理2

ETO灭菌器是一个容器，首先装满要灭菌的物体。基本的ETO灭菌周期包括五个阶段（加湿抽真空，气体引入，暴露，抽真空和空气冲洗），大约需要2 1/2小时，不包括曝气时间（去除ETO）。机械曝气在 +8 至 +12°C 下需要 50 至 60 小时;被动曝气也是可能的，但可能需要7天。曝气完成后，将灭菌的物体取出（批处理）。ETO与氨基酸，蛋白质和DNA发生化学反应，以防止微生物繁殖。3

问题

ETO灭菌适用于无法承受蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和潮湿的物体。由于其+30°至+60°C的低温条件，ETO灭菌工艺非常适合具有嵌入式电子设备的医疗设备。但是，对于嵌入式电池来说，真空可能不被接受。此外，该方法还有一个缺点：ETO是一种高度易燃的石油基气体和致癌物质。

二氧化氯 （CD） 气体灭菌

二氧化氯（CD）于1811年或1814年被发现（这两年都列出），并在造纸工业中作为漂白剂获得了广泛的商业用途。1988年，EPA将二氧化氯注册为灭菌剂。这为医疗领域的应用打开了大门。

工作原理4, 5

CD灭菌器是一个容器，首先装满要灭菌的物体。基本的 CD 灭菌周期包括五个阶段（加湿预处理、调节、二氧化氯气体的生成和输送、暴露和曝气），大约需要 2 1/2 小时，包括曝气时间（去除 CD）。曝气完成后，将灭菌的物体取出（批处理）。二氧化氯（ClO2）作为氧化剂并与几种细胞成分反应，包括微生物的细胞膜。通过从它们那里“窃取”电子（氧化），CD破坏了它们的分子键，导致生物体因细胞破裂而死亡。由于CD改变了参与微生物结构的蛋白质，酶功能被破坏，导致非常迅速的细菌杀灭。CD的效力归因于对许多蛋白质的同时氧化攻击，从而防止细胞突变为抗性形式。此外，由于二氧化氯的反应性较低，因此在有机物存在下其抗菌作用保留时间更长。

问题

CD灭菌适用于无法承受蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和潮湿的物体。由于 +15° 至 +40°C 的低温，CD 灭菌过程非常适合带有嵌入式电子设备的医疗设备。CD气体在该方法使用的浓度下不易燃，并且不致癌。它不需要高浓度即可达到杀孢子效果。

过氧化氢灭菌

过氧化氢于1818年首次分离。它在制药行业有着悠久的使用历史，是环氧乙烷（ETO）的流行替代品。过氧化氢可以以两种方式使用：a）汽化过氧化氢灭菌，和b）过氧化氢等离子体灭菌。

汽化过氧化氢 （VHP®） 灭菌

工作原理6, 7

VHP灭菌器首先填充要灭菌的物体。基本的VHP灭菌周期包括三个阶段（调节，包括真空发生，H2O2注入和曝气），大约需要 1 1/2 小时，包括曝气时间（去除 H2O2).曝气完成后，将灭菌的物体取出（批处理）。HPV的确切作用机制仍有待完全了解，并且可能因微生物而异。尽管如此，H2O2通过产生活性氧（如羟基自由基）来产生氧化应激，这些活性氧攻击多个分子靶标，包括核酸、酶、细胞壁蛋白和脂质。

问题

VHP灭菌适用于无法承受蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和潮湿的物体。由于其+25°至+50°C的低温操作，VHP灭菌过程非常适合带有嵌入式电子设备的医疗设备。但是，对于嵌入式电池来说，真空可能不被接受。VHP渗透能力低于ETO的能力。

过氧化氢等离子灭菌

工作原理1

这种方法将化学与物理相结合。过氧化氢等离子体灭菌器首先填充待灭菌的物体。基本的过氧化氢等离子灭菌周期包括四个阶段（真空发生，H2O2注射、扩散和血浆放电），大约需要 1 至 3 小时。不需要曝气。循环完成后，将灭菌对象移除（批处理）。过氧化氢等离子体灭菌主要通过在循环的等离子体阶段结合使用过氧化氢气体和产生自由基（羟基和氢丙基自由基）来灭活微生物。过氧化氢等离子体灭菌不得与使用超声波产生雾气的系统混淆，因此不涉及等离子体放电。

问题

过氧化氢等离子体灭菌适用于无法承受蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和潮湿的物体。所需的真空度不如VHP灭菌那么深。虽然+40°至+ 65°C的低工艺温度很有吸引力，但等离子体放电阶段13W至56W范围内的200.400MHz射频能量对于嵌入式电子设备来说是个问题。过氧化氢等离子体灭菌不应用于含有半导体的物体。

辐射方法

伽马射线灭菌8, 13

伽马辐射是在1900年研究镭发射的辐射时发现的。后来，发现了其他来源，如锝-99m和钴-60。伽马辐射的工业使用始于1950年代，以钴-60作为辐射源。钴-60在自然界中不存在;它是在反应器中人工生产的。钴-60的半衰期为5.2714年。

工作原理9

待灭菌的物体被放在传送带上，传送带将它们运送到强伽马辐射源（如钴-60）附近。在辐射场中停止以使物体接收到所需剂量后，输送机继续前进并暴露下一个物体。输送机可以以确保适当剂量的速度连续移动（连续加工），而不是走走停停的动作。电离辐射引起激发、电离，在存在水的地方，还会导致自由基的形成。自由基具有强大的氧化作用（OH，HO2）和还原（H）剂，能够破坏活细胞中的必需分子。因此，所有这三个过程都会导致必需细胞成分（如酶和DNA）的分解。这会导致细胞死亡。最具生物破坏性的伽马辐射形式发生在伽马射线窗口，在3MeV和10MeV之间。钴-60发射的伽马辐射为1.17MeV和1.33MeV，略低于最有效的范围。

问题10

伽马辐射深入照射物体。它比物理和化学方法更快;它在升高的室温和正常大气压下发生。辐照器是一个大型物体，有2米厚的混凝土墙，以保护环境免受辐射。由于放射性衰变，需要定期调整暴露时间以保持恒定的辐射剂量。除了影响活细胞外，伽马辐射还影响聚合物和半导体。对电子产品的影响取决于剂量和剂量率。在极端情况下，在数秒到数分钟内传递的硅中总电离大于5000 rads会使半导体材料长时间降解。例如，在实践中，医疗行业对电离水平在250至500rads范围内的仪器和产品进行灭菌，专门设计的半导体设备可以可靠地运行。因此，在适当的条件下，伽马射线灭菌可用于包含兼容设计的半导体器件的物体。

电子束灭菌11

因为它们是从电子管（也称为真空管）的阴极发射的，所以电子束最初被称为阴极射线。阴极射线管（CRT）于1897年发明，可产生并偏转电子束以扫描荧光屏。随着电视的引入，它成为一种家居用品。在用于电视的CRT中，光束的电子以10kV（黑白）或25kV（彩色）的阳极电压加速，并在撞击屏幕时返回金属导体中。电子束发生器类似于 CRT。然而，加速电压可以高达1000倍，屏幕被钛箔制成的窗口所取代，该窗口允许电子离开真空，但将气体分子从大气中排除在外。电子束用于灭菌始于1956年，当时医疗器械行业开发了第一个商业应用。

工作原理9, 12

待灭菌的物体被放在传送带上，传送带将它们缓慢地输送到电子束离开发生器的窗口。选择输送机速度以确保适当的剂量（连续加工）。达到灭菌所需的穿透力需要5MeV至10MeV的能级。电子束辐射形成自由基，与大分子反应，从而破坏细胞DNA，导致细胞死亡。这种方法可以破坏所有类型的病原体，包括病毒、真菌、细菌、寄生虫、孢子和霉菌。

问题

电子束辐射的穿透深度不如伽马辐射。然而，它比伽马射线灭菌更快，不会产生核废料，并且在正常大气压下的室温升高下进行。电子束辐射比伽马辐射对材料具有更好的相容性。当电子束指向电子元件时，电子束会导致电荷积聚（ESD），进而造成损坏。因此，电子束灭菌应仅用于含有半导体的物体，这些半导体旨在专门耐受电子束辐射水平和ESD积聚。

结论

有物理、化学和辐射方法对医疗应用中的物体进行消毒。每种灭菌方法都有其特殊特性，这些特性可能与半导体器件兼容，也可能不兼容。在选择特定方法时，应考虑潜在的副作用，尤其是在涉及电子设备时。

表1总结了本文讨论的方法及其与嵌入式电子器件的兼容性。二氧化氯对电子元件没有已知的不利影响，因此是与电子元件兼容的最佳整体选择。环氧乙烷和汽化过氧化氢也是不含电池的电子医疗设备的极好灭菌方法。IC的环氧树脂封装材料不接触化学杀菌剂，因此不会受到影响。如果需要抗辐射性，则必须使用专门设计和兼容的IC。

 

灭菌方法	有问题的参数	兼容性
高压釜蒸汽	高温、高湿	可影响浮栅存储单元（EEPROM）;缩短嵌入式电池（如果有）的使用寿命。
环氧乙烷	易燃性、致癌物	真空会影响嵌入式电池。
二氧化氯	没有	对电子设备或电池没有不利影响。
汽化过氧化氢	真空	真空会影响嵌入式电池。
过氧化氢等离子体	真空、等离子体放电	真空会影响嵌入式电池;产生等离子体所需的射频能量可能与半导体不兼容。
伽马射线	辐射、核废料	辐射会损坏不是为暴露而设计的半导体。
电子束	辐射	辐射会损坏不是为暴露而设计的半导体。

 

免責聲明

本应用纪要的研究于2010年进行，完全依赖于公众可获得的材料。从那以后，方法和设备可能已经有了技术改进，立法也发生了变化。所有这些都可能影响上述描述和结论的正确性。因此，在将包含电子设备的医疗设备暴露于任何灭菌方法（包括此处未提及的方法）之前，请与医疗设备供应商联系，以验证您打算使用的灭菌设备是否会损害医疗设备。

审核编辑：郭婷