医疗器械环氧乙烷灭菌质量控制影响因素探讨

医疗器械环氧乙烷灭菌质量控制影响因素探讨

潘红

云南省食品药品审核查验中心  云南省昆明市 650000

1、环氧乙烷特性

环氧乙烷（Ethylene Oxide简称EO）是一种有机化合物，又名氧化乙烯，分子式C2H4O，分子量44.05，在4℃时比重为0.884，沸点为10.8℃，密度为1.52g/㎝。环氧乙烷在低温时为无色透明液体，可与任何比例的水混溶，也可溶于常用的有机溶剂或油脂，在常温下为无色带有醚刺激性气味的气体，可闻出的气味阈值为500ppm~700ppm，环氧乙烷气体的蒸汽压30℃时可达141kPa，这种高蒸汽压决定了环氧乙烷灭菌时穿透力很强。

2、环氧乙烷灭菌原理

环氧乙烷灭菌作用是不可逆的，环氧乙烷灭菌的化学反应作用机制如图1所示。图1中显示环氧乙烷在水存在下能与蛋白质和生物酶的侧链羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、巯基（-SH）和羟基（-OH）发生烷基化作用，取代不稳定的氢原子而形成带有-CH2CH2OH的化合物。蛋白质的活性基团被乙氧基化，使蛋白质失去了在基本代谢中需要的反应基，阻碍细胞蛋白质正常化学反应和新陈代谢，从而导致微生物死亡。

图1

3、环氧乙烷灭菌优、缺点

环氧乙烷灭菌优点较多，主要体现在以下六方面：a、环氧乙烷可用于不耐高温、不耐湿物品的灭菌；b、环氧乙烷被认为是一种灭菌效果最好的化学灭菌剂，可杀灭细菌（及其内孢子）、霉菌及真菌；c、环氧乙烷穿透性强，可用于各种难通透物品部位的灭菌；d、由于环氧乙烷杀灭微生物是利用烷基化原理而非氧化过程，因此对物品损坏非常小，对不耐热精密仪器灭菌有着非常广泛的用途；e、灭菌物品可采用环氧乙烷可以穿透的各种包装材料包裹，便于储存、运输，打开包裹即可使用，避免了交叉污染的风险；f、环氧乙烷灭菌有标准的化学、生物监测手段，可以有效地控制灭菌效果。环氧乙烷灭菌缺点主要体现在三方面：a、灭菌时间较长，灭菌完后需较长时间通风解析以去除环氧乙烷在物品中的残留；b、环氧乙烷有毒，是致癌物，物品中环氧乙烷残留及环境中的环氧乙烷浓度需严格控制；c、环氧乙烷易燃易爆，空气中浓度超过3%时遇明火即可燃烧爆炸，故环氧乙烷应保存在特制的安瓿或耐压金属罐中。

4、影响环氧乙烷灭菌效果的主要因素

影响环氧乙烷灭菌效果的主要因素包括：温度、相对湿度、环氧乙烷浓度、环氧乙烷作用时间等。

4.1温度

温度会影响环氧乙烷杀灭微生物的速率，同时温度可提高环氧乙烷穿透力，随着温度升高，环氧乙烷气体分子活动加剧，有利于环氧乙烷分子穿透微孔到达待灭菌物品深部，从而提高环氧乙烷的灭菌效果。随着温度的升高，环氧乙烷蒸气压也随之增大，环氧乙烷穿透力也随之加强。据测算，温度每升高10℃，环氧乙烷对芽胞杀灭率提高1倍。然而，温度超过一定数值后，杀灭速率上升并不明显，且过高温度增加能源成本，对产品本身及产品包装造成不可逆损害，因此环氧乙烷灭菌温度通常设定为40℃~60℃。灭菌过程还需确保灭菌柜温度保持稳定，将温度的空间、时间波动控制在可接受范围内。

4.2相对湿度

待灭菌物品含水量、微生物含水量及灭菌环境相对湿度对环氧乙烷灭菌具有非常重要的作用，水在灭菌过程中主要起三方面的作用：a、环氧乙烷灭菌本质是一个烷基化的化学反应，水是该反应的重要反应剂之一，反应时，水打开环氧乙烷上的环氧基团，使其与微生物发生作用，以达到杀灭微生物的目的；b、湿化可加速灭菌环境温度尽快升高，缩短被灭菌物品达到所设定温度的时间；c、水的存在可提高环氧乙烷穿透力，使其更易穿透待灭菌物品包装深入到物品内部。当相对湿度低于25%时，无法达到灭菌效果，当相对湿度高于90%，灭菌效率提升不明显，且易产生水滴，对灭菌过程产生不利影响，因此实际灭菌相对湿度一般设置为40%~80%。

4.3环氧乙烷浓度

在灭菌温度和湿度不变的情况下，适当提高环氧乙烷浓度，灭菌效率显著增加。环氧乙烷浓度和灭菌效率大致呈一级动力学反应，即灭菌效率随环氧乙烷浓度升高而上升。有研究表明环氧乙烷浓度超过1000mg/L，灭菌效率提升不明显，所以环氧乙烷浓度维持在300mg/L~1000mg/L。通常环氧乙烷浓度设置为600mg/L，既能保证灭菌效果，又能降低环氧乙烷消耗量，降低环氧乙烷在灭菌物品上的残留量，为环氧乙烷的解析创造有利条件。在实际灭菌过程中环氧乙烷浓度一般需高于理论浓度，因为灭菌过程需考虑环氧乙烷的水解、环氧乙烷在灭菌物品上的吸附等因素。

4.4环氧乙烷作用时间

环氧乙烷作用时间是影响灭菌效果的关键因素，灭菌时间必须足够长才能彻底杀灭微生物，一般来说灭菌物品上微生物数量与环氧乙烷作用时间呈指数关系。因为环氧乙烷灭菌是气体灭菌，而气体灭菌并非快速灭菌，需要经历足够时间才能达到灭菌效果。确定环氧乙烷作用时间比较常用的有半周期法、存活曲线法和部分阴性法，其中半周期法应用最广泛，在除环氧乙烷作用时间外其他过程参数不变的情况下，将环氧乙烷作用时间依次减半，直至找到能使灭菌物品上无存活微生物的环氧乙烷最短作用时间，在该作用时间下再重复3次实验，若均能使灭菌物品达到完全无菌，即可将该环氧乙烷最短作用时间确定为半周期。为保证灭菌效果，灭菌工艺规定的灭菌作用时间应至少为半周期的2倍，但灭菌时间不是越长越好，灭菌时间过长不仅增加生产成本，还会对灭菌物品产生不利影响。

5、结语

环氧乙烷灭菌效果受多方面因素的影响，生产企业在进行灭菌操作时，除应关注本文中提及的关键质量控制因素外，还应关注其他因素，如：a、灭菌物品结构差异影响环氧乙烷气体的进出，不同物品材料需要吸收湿、热的多少不一样，所以物品结构及物品材料对环氧乙烷灭菌具有一定的影响；b、待灭菌物品的初始污染菌数量及种类；c、灭菌柜性能；d、待灭菌物品在灭菌柜内装载情况影响着环氧乙烷气体及湿、热穿透及分布；e、待灭菌物品包装材料特别是最小包装材料的透气性很关键，既影响着环氧乙烷气体是否能够穿透物品进入到物品内部，也影响着灭菌后环氧乙烷残留量；f、灭菌柜内预真空度，预真空度越高，表明灭菌柜内空气越少，越有利于环氧乙烷气体向待灭菌物品的扩散与渗透。灭菌过程中只有充分把握所有影响因素，才能保证持续生产出合格的医疗器械产品。