医疗器械的灭菌是通过物理或化学方法清除器械、敷料等物体上的所有微生物(包括芽孢)，使其达到无菌水平，以避免器械在使用过程中造成的感染发生及疾病传播。环氧乙烷 (EtO) 是一种在制造过程中用于对各种医疗和非医疗产品进行杀菌的气体杀菌剂。与其他一些灭菌方法不同，使用环氧乙烷进行灭菌是一种行之有效且经过科学验证的方法，可以防止有害微生物繁殖和引起感染，且不会降解产品。环氧乙烷灭菌是目前最常用的医疗器械灭菌方法，被全球医疗器械制造商广泛使用。

在FDA最近更新的灭菌主文档计划（包括6月份启动的辐照灭菌主文档计划）相关的资讯中都没有明确描述，但偶然翻到2019年的资讯中发现了，当时提到了以下4种替代的灭菌方法：
1. Supercritical Carbon Dioxide Sterilization 超临界二氧化碳灭菌
2. Nitrogen Dioxide Sterilization 二氧化氮灭菌
3. Accelerator-Based Radiation Sterilization 基于加速器的辐射灭菌
4. Vaporized Hydrogen Peroxide Sterilization 汽化过氧化氢灭菌

超临界二氧化碳

多项研究表明，使用超临界二氧化碳对基于多糖和胶原蛋白的生物材料的机械性能影响较小。该方法的主要特点是灭菌处理温度低，良好的惰性，以及毒性较低。超临界二氧化碳是一种超临界流体，即介于液体和气体之间的物质相态，兼具液体的密度和气体的粘度及扩散性。其不仅对多孔和复杂结构的材料具有极好的渗透性，而且是低分子量和低极性分子的良好溶剂，同时还具有低反应性，不会产生自由基或反应产物破坏材料的结构和机械性能。因此超临界二氧化碳具有杀菌作用可行性。

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灭菌原理

国外大多数研究认为，该技术的灭菌机理是二氧化碳对细胞质和细胞外介质的酸化：将二氧化碳溶解在含有微生物的水性培养基中会转化为碳酸，并进一步电离成碳酸氢根和氢离子。这将降低细胞外的pH值并破坏细胞膜的结构，导致细胞膜通透性增加，从而促进二氧化碳的进一步渗透。

二氧化碳会对细胞膜造成损害，从而达到灭菌的目的。国内研究发现，高压二氧化碳对细胞膜造成一定程度的损伤导致细胞内物质的外泄是细胞灭活的重要原因。细胞内pH值降低、一些关键的蛋白和酶失活使得细胞内一系列生理代谢活动无法正常进行。

scCO2的灭活能力及对灭菌材料的影响

外文文献已针对超临界二氧化碳在不同条件下对不同微生物的灭活能力进行了收集和展开，证明其在不同的初始条件和灭菌参数下，能够实现多种菌属的灭菌。对于对超临界处理具有高度抗性的孢子而言，可通过延长灭菌时间、升高操作温度或使用添加剂来提高灭菌效果；对于真菌，常在中等工作压力、温度和适度的时间下进行灭菌，某些情况下也可使用添加剂；而对于病毒需要考虑其结构，如果是无包膜结构的病毒其抵抗力更强，只用超临界二氧化碳灭菌可能对产品有害，建议与其他技术结合进行灭活。

scCO2灭菌对不同菌种的条件和效果:

研究显示超临界二氧化碳可应用于食品、医疗、医药和水处理等多种场景。但超临界二氧化碳的灭菌效果和实际的材料有关，需要考虑其对材料在物理性能、结构、生物相容性等方面的影响。

实验表明，对于同种异体及异种生物材料（软组织和硬组织），超临界二氧化碳灭菌技术对它们的结构和生物学性能影响很小。如果是多糖等天然材料也可以通过调节灭菌条件来避免材料结构受影响。而在人工合成材料与纺织物领域，超临界二氧化碳灭菌主要集中在人体植入物上，用超临界二氧化碳对热固性材料进行灭菌既不会引起材料机械性能的变化，还能去除未反应的单体来纯化材料，并且超临界二氧化碳灭菌是用来处理不耐高温、不适用刺激性化学消毒剂的纺织物的最佳替代灭菌方法。

二氧化氮灭菌

Noxilizer使用二氧化氮灭菌工艺进行最终灭菌的医疗设备于2016年获得FDA 510k注册。二氧化氮气体灭菌可在超低温（10 °C至 30 °C ）下进行，在真空和湿度是否存在的情况下均可发挥作用。该方法可以在公司内部进行灭菌，从而大大缩短处理时间，周转时间缩短至两到三天，并节省 50% 或更多的运营成本。该公司还表示，使用二氧化氮进行医疗器械灭菌的其他优点是压力要求最低、没有细胞毒性残留物和快速的循环时间。

二氧化氮具有强氧化性，对生物体有明确的毒性，如通过与DNA中的磷酸发生硝化作用对其进行降解。它的沸点为21℃，在室温下是一种气体，可以快速渗透到包装和医疗器械负载中，因此可以作为灭菌气体得到使用。在环境温度下其饱和蒸气压也相对较高（101,325Pa），使得二氧化氮灭菌工艺所需浓度约为环境压力气体的百分之一，这比其他气体消毒剂低。正因为如此，在灭菌周期中使用的二氧化氮浓度远低于其露点，不会发生冷凝。此外，二氧化氮在环境条件下的这种气态性质允许对负载进行有效的通气，使处理过程更加安全。二氧化氮气体灭菌可在超低温（10℃~ 30℃）下进行灭菌，对真空和湿度没有要求。而且没有细胞毒性残留物，循环时间也很短（包括解析2~4小时）。Noxilizer表示，二氧化氮消毒方法旨在让公司安全地将消毒工作带回内部，大大减少工艺时间，将周转时间缩短至两到三天，并节省50%以上的运营成本。

除了考虑医疗器械本身，灭菌技术也要考虑到包装材料。实验表明，二氧化氮灭菌与大多数医疗器械材料兼容，包括无纺布、不锈钢、玻璃、陶瓷、聚丙烯包装、Tyvek包装等。这些材料对二氧化氮的生物相容性也通过了测试：在暴露于二氧化氮后，它们都没有表现出细胞毒性反应的增加，也没有留下有害残留物。

二氧化氮灭菌技术目前虽然没有得到普及，不过已经有相关的研究和创新，如Majdi Shomali等人分析了一种便携二氧化氮消毒器，可在资源匮乏的场景中使用。2017年施洁国际还与Noxilizer宣布开展合作，为制药、生物技术和医疗设备产品提供二氧化氮消毒服务。但二氧化氮对环境和人体都有很大的伤害，二氧化氮是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是酸雨的来源之一。二氧化氮被人体吸入后，能够对肺组织产生强烈的刺激作用和腐蚀作用，从而引起肺水肿。呼吸系统有疾患的人如哮喘病患者，较易受二氧化氮的影响。对于儿童来说，二氧化氮可能会造成肺部发育障碍。实际应用中需要注意避免其负面影响。

医疗器械博览会Medtec China 2022包装和消毒参展企业包括贝里精英包装、安姆科中国、卡尔托利、科佩、奥力拓、香港奥星集团等，他们将在现场带来包括环氧乙烷尾气处理设备、医疗厂房洁净室系统、洁净室规划&设计&施工&管理、灭菌指示剂、Simco 6115型离子风枪、植入材料清洗剂、环氧乙烷灭菌服务、PTFE喷涂、辐照灭菌服务等。 基于加速器的辐照灭菌

电子辐照过程类似于于产品被高能电子轰击，这些电子高速穿过目标材料。随着扫描的发生，加速电子在这个过程，促使任何活的微生物失活。该方法的主要优点是提高供应链效率，对产品的氧化损伤大大减少，减少任何现有聚合物的颜色变化，以及没有化学残留物。

辐照灭菌是利用射线（包括X射线、γ射线和加速电子束等）的辐照来杀灭微生物和昆虫的一项技术。目前常用的技术有Gamma 辐照和电子束辐照。辐照灭菌可在常温下进行，基本不改变样品的温度，适用于不能作高温处理的物品的灭菌；穿透性强，杀菌均匀彻底且迅速。

2. 适合辐照灭菌的产品

要考虑的重点是器械材质是否耐受辐照。一般来说，辅料类产品（如棉纱制品、无纺布制品）、金属产品（如吻合器、骨科产品、心血管产品等）以及部分高分子材料产品均适合于辐照灭菌。但有些产品（如塑料产品）经过辐照后存在发生变色等负面影响。除医疗器械外，药品、食品、宠物用品和动物饲料也适合辐照灭菌。

二是产品结构和密度。射线穿透力与产品材质和密度关系较大，对于密度大且体积也大的产品需考虑是否适合辐照灭菌。

气化过氧化氢

汽化过氧化氢 (VHP) 是一种深真空、低温蒸汽工艺，与多种聚合物材料兼容，使其成为一次性产品的有效医疗器械灭菌方法，包括植入产品和带有电子、药物、输送装置和温度敏感装置。VHP 可以安全地分解成水和氧气，残留水平低，并且没有已知的氧化或变色效应。

汽化过氧化氢（VH2O2）是目前最常用的低温灭菌程序。虽然这并不是新技术（第一台VH2O2灭菌器于1993年出现在美国医院），但却非常复杂。了解这一过程和成功进行VH2O2灭菌的所有要求对患者安全至关重要。

过氧化氢（H2O2）是一种非常有效的生物杀灭剂，它可以通过直接接触所有类型的微生物时而杀灭它们。过氧化氢是一种强氧化剂，通过这种机制杀死微生物。过氧化氢分子本质上是不稳定的，在环境条件下很容易“分解”或分离成亚组分。此外，过氧化氢灭菌过程使用汽化形式的过氧化氢。蒸汽和真正的气体不一样，因为蒸汽会自然地在表面凝结，就像空气中的水蒸汽在冷玻璃外面凝结一样。气体，如环氧乙烷，不会凝结。在灭菌过程中的温度和压力下，它们总是以气体的形式存在。过氧化氢的氧化特性、分子稳定性和蒸汽特性是非常重要的特性，它们对VH2O2灭菌过程的工作方式以及为什么无菌处理部门必须遵循某些程序有重大影响，以确保VH2O2灭菌过程安全有效。

医疗器械博览会Medtec China 2022了解到，在今天的各种商用灭菌器中，有许多不同的汽化过氧化氢灭菌过程，但都遵循类似的模式。首先，通常有一个深度真空步骤，以清除可能会干扰过程的空气和湿气。接下来，过氧化氢蒸汽被注入腔室，在整个保持时间内扩散。然后再抽一次深度真空以除去残余空气和过氧化氢。这个过程被认为是1个“脉冲”。这些灭菌过程将使用2-4个脉冲，这取决于灭菌器和在该循环中待处理的器械。在过程结束时，将负载通风（用空气清洗）以去除残余过氧化氢，或者在某些系统中，将负载暴露在气体等离子体过程中以去除残余物。

影响VH2O2灭菌过程的因素

前面讨论过的过氧化氢的化学和物理性质（强氧化剂、分子不稳定、是蒸汽而非气体）可能导致VH2O2灭菌过程不如预期有效。让我们更深入地了解一下这些特性是如何对灭菌过程产生不利影响的。

1. VH2O2灭菌过程为每个循环类型和放置在试验箱中的每个负载注入固定量的H2O2蒸汽。在灭菌剂暴露阶段停止补充或添加灭菌剂。因此，在暴露阶段，小负载和大负载都暴露在等量的灭菌剂中。负载变化，加上过氧化氢分子相对不稳定，在暴露阶段容易通过几种不同的化学机制2,3,4耗尽，可能导致任何既定循环出现重大的意外变化。

2. 温度是VH2O2灭菌的关键程序参数。包括灭菌器腔室、医疗器械、包装和容器放入灭菌室时的温度。如果负载过冷，恒定数量的过氧化氢蒸汽可能过度冷凝。5,6这可能对过程产生负面影响。

3. VH2O2灭菌器获得美国FDA的批准，批准的条件是每种循环类型的单个负载在最大重量限值之内。批准的支撑性测试和验证是建立在对H2O2分子不稳定性和H2O2蒸汽性能的了解。因此，超过负载的重量限值可能导致循环无效。

4. “材料相容性”通常指灭菌剂对医疗器械的影响。这对VH2O2灭菌很重要，因为过氧化氢是一种氧化性化学物质，会损坏一些材料。然而，“材料相容性”一词对于VH2O2程序具有附加含义。在这种情况下，它可能意味着材料对程序有效性的影响，因为VH2O2和材料之间存在相互作用。我们注意到，VH2O2是一种不稳定的分子，容易分解成其他化合物。一些材料分解VH2O2更快，导致灭菌效率降低。用户必须了解某些材料（例如一些塑料和金属）吸收、吸附或分解VH2O2的速度更快，对可用的VH2O2产生显著的影响。2,3,4,7

5. 在VH2O2灭菌过程中使用额外（非必要）材料是另一个与用户相关的变量，可能会给VH2O2灭菌过程带来重大变数。例如，泡沫托盘衬垫、聚乙烯板托盘衬垫、下护层衬垫、泡沫包装托盘衬垫和托盘保护装置、橡胶角保护装置、泡沫袋式器械保护装置、化学指示物支架、运输托盘、超大一次性灭菌包装、600和650克重一次性灭菌包装，以及预成型的一次性包装都是医疗机构中使用的无关或非必要材料。如上所述，由于VH2O2循环使用固定量的灭菌剂，最佳做法是限制或禁止使用任何会吸收VH2O2灭菌剂的额外材料。

来源：
上海汉洁
麦迪科咨询
微珂器械服务
医疗器械灭菌