灭菌方法及其对含电子医疗器械的影响

Good

尽管有大量关于灭菌方法和设备的文献，但关于灭菌对电子设备的影响的文章却很少。本文比较了流行的消毒方法，并讨论了它们对包含电子设备的物体的适用性。

引言
由于半导体和封装技术的进步，如今集成电路 (IC) 出现在越来越多的设备中，包括医疗设备。医疗应用面临的一个特殊挑战是需要保持产品无菌——免受真菌、细菌、病毒和孢子等有害污染物的影响。尽管有大量关于灭菌方法和设备的文献，但关于灭菌对电子设备的影响的文章却很少。本应用说明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。

物理方法
有几种物理灭菌方法，其中最有效的方法是在称为高压灭菌器的设备中结合热量、湿度和压力。

高压蒸汽灭菌
器 众所周知，医疗器械的热灭菌已在古罗马使用。水分的存在显着加速了热渗透（蒸汽灭菌）。高压釜于 1879 年发明，将热量和水分与高压相结合。

工作原理
高压釜是一种类似于压力锅的容器。里面装满待灭菌的物品，然后密封。接下来，高温蒸汽在高压下被强制进入，从而置换空气。湿热通过酶和结构蛋白的不可逆凝结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，释放蒸汽并取出已消毒的物体。整个周期可能需要 15 到 60 分钟（批处理）。

问题
高压灭菌器适用于能够耐受湿度、高压（高于环境 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（例如 EEPROM）可能对高温敏感。但是，如果在 +125°C 下将数据保留时间指定为 10 年，则不应预期会丢失数据完整性。否则，应偶尔刷新（重写）存储器数据以恢复浮栅上的全部电荷。这适用于激光修整的 EEPROM。由于产品数据表中通常不指定装饰类型，

化学方法
医学领域有大量用于灭菌的化学方法。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 年代初期获得工业重要性。用于保存香料的 ETO 灭菌在 1938 年获得了专利。当对热和湿气敏感的医疗设备进行灭菌的替代品很少存在时，ETO 的使用得到了发展。

工作原理
ETO 灭菌器是一个先装满待灭菌物品的容器。基本的 ETO 灭菌周期包括五个阶段（加湿抽空、气体引入、暴露、抽空和空气清洗），大约需要 2 1/2 小时，不包括曝气时间（去除 ETO）。在 +50 至 +60°C 下，机械曝气需要 8 至 12 小时；被动曝气也是可能的，但可能需要 7 天。曝气完成后，将灭菌对象取出（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。

问题
ETO 灭菌适用于不能承受蒸汽（高压灭菌器）灭菌所需的高温和湿气的物体。由于其 +30° 至 +60°C 的低温条件，ETO 灭菌过程非常适合带有嵌入式电子设备的医疗设备。但是，嵌入式电池可能无法接受真空。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。

二氧化氯 (CD) 气体消毒
二氧化氯 (CD) 于 1811 年或 1814 年（均已列出）被发现，并在造纸工业中作为漂白剂获得了广泛的商业用途。1988 年，美国环保署将二氧化氯注册为杀菌剂。这为医疗领域的应用打开了大门。

它是如何工作的
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、二氧化氯气体的产生和输送、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，将灭菌对象取出（批处理）。二氧化氯 (ClO2) 充当氧化剂并与多种细胞成分发生反应，包括微生物的细胞膜。通过从它们“窃取”电子（氧化），CD 会破坏它们的分子键，从而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，因此酶功能被破坏，导致非常快速的细菌杀灭。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，其抗菌作用在有机物存在下保持更长时间。

问题
CD 灭菌适用于无法承受蒸汽（高压灭菌器）灭菌所需的高温和湿气的物体。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 气体在用于该方法的浓度下是不可燃的，并且不会致癌。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 年首次被分离出来。它在制药行业的使用历史悠久，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
VHP 灭菌器首先装满要灭菌的物体。基本的 VHP 灭菌周期包括三个阶段（调节包括真空产生、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，将灭菌对象取出（批处理）。HPV 的确切作用机制仍有待充分了解，并且可能因微生物而异。尽管如此，H2O2 通过产生活性氧物质（例如羟基自由基）来产生氧化应激，这些物质会攻击多个分子靶标，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（高压灭菌器）灭菌所需的高温和湿气的物体。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。然而，嵌入式电池可能无法接受真空。VHP 渗透能力低于 ETO。

过氧化氢等离子灭菌
它是如何工作的
这种方法结合了化学和物理。过氧化氢等离子消毒器首先装满待消毒的物体。基本的过氧化氢等离子体灭菌循环包括四个阶段（真空产生、H2O2 注入、扩散和等离子体放电），大约需要 1 到 3 小时。不需要曝气。循环完成后，将灭菌对象取出（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自由基（羟基和羟基自由基）的产生来灭活微生物。过氧化氢等离子灭菌绝不能与使用超声波产生雾气的系统相混淆，因此不涉及电等离子放电。

问题
过氧化氢等离子灭菌适用于不能承受蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和湿气的物体。所需的真空没有 VHP 灭菌那么深。虽然 +40° 至 + 65°C 的低工艺温度很有吸引力，但在等离子放电阶段，200W 至 400W 范围内的 13.56 MHz 射频能量对于嵌入式电子设备来说是个问题。过氧化氢等离子灭菌不应用于含有半导体的物体。

辐射方法
伽马射线灭菌
伽马辐射是在 1900 年研究镭辐射时发现的。后来发现了其他来源，例如锝99m和钴60。伽马辐射的工业用途始于 1950 年代，以钴 60 作为辐射源。Cobalt-60 在自然界中不存在；它是在反应堆中人工生产的。钴 60 的半衰期为 5.2714 年。

它是如何工作的
待消毒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。在停止在辐射场中以便物体接收到所需的剂量后，传送带继续移动并曝光下一个物体。代替走走停停的动作，传送带可以以确保适当剂量（连续处理）的速度连续移动。电离辐射会引起激发、电离，并且在存在水的情况下会形成自由基。自由基是强大的氧化剂（OH、HO2）和还原剂（H），能够破坏活细胞中的基本分子。因此，所有三个过程都会导致基本细胞成分（例如酶和 DNA）的分解。这导致细胞死亡。伽马辐射最具生物破坏性的形式发生在伽马射线窗口中，介于 3MeV 和 10MeV 之间。Cobalt-60 发射 1.17MeV 和 1.33MeV 水平的伽马辐射，略低于最有效范围。

问题
伽马辐射深入被照射的物体。它比物理和化学方法更快；它发生在升高的室温和正常大气压下。辐照器是一个大型物体，具有 2m 厚的混凝土墙，以保护环境免受辐射。由于放射性衰变，需要定期调整照射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。对电子设备的影响取决于剂量和剂量率。在极端情况下，硅中超过 5000 rads 的总电离在数秒到数分钟内传递，会使半导体材料长时间退化。例如，在实践中，医疗行业以 250 至 500 拉德范围内的电离水平对仪器和产品进行消毒，专门设计的半导体器件可以可靠运行的地方。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
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，它产生并偏转电子束以扫描荧光屏。随着电视的推出，它成为了一种家庭用品。在用于电视的 CRT 中，电子束的电子在 10kV（黑白）或 25kV（彩色）的阳极电压下被加速，当它们撞击屏幕时又回到金属导体中。电子束发生器类似于 CRT。然而，加速电压可以高达 1000 倍，并且屏幕被钛箔制成的窗口取代，它可以让电子离开真空，但阻止气体分子进入大气。

工作原理
待消毒的物体被放置在传送带上，传送带将它们缓慢地传送通过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（连续处理）。达到灭菌所需的穿透力需要 5MeV 到 10MeV 的能量水平。电子束辐射形成与大分子反应的自由基，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升高室温下进行。与伽马辐射相比，电子束辐射对材料具有更好的相容性。当指向电子元件时，电子束会导致电荷积聚 (ESD)，进而导致损坏。因此，电子束灭菌应仅用于含有半导体的物体，这些半导体旨在特别耐受电子束辐射水平和 ESD 积聚。

结论
有物理、化学和辐射方法对用于医疗应用的物体进行消毒。每种灭菌方法都有其特殊特性，可能与半导体设备兼容，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 总结了本文中讨论的方法及其与嵌入式电子设备的兼容性。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包括电池的电子医疗设备的出色灭菌方法。IC 的环氧树脂封装材料不会接触化学消毒剂，因此不会受到影响。如果需要抗辐射，则必须使用专门设计和兼容的 IC。


表 1：灭菌方法及其兼容性
灭菌方法有问题的参数兼容性高压蒸汽高温、高湿会影响浮栅存储单元（EEPROM）；减少嵌入式电池（如果有）的使用寿命。环氧乙烷可燃性、致癌物真空会影响嵌入式电池。二氧化氯没有任何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。过氧化氢等离子真空、等离子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。免责声明
本应用说明的研究于 2010 年 6 月进行，完全依赖于公众可获得的材料（参见参考资料）。从那时起，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，请联系医疗设备供应商以确认医疗设备是否会受到您打算使用的灭菌设备的伤害。


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