应用注释

灭菌方法及其对含电子产品的医疗器械的影响

来源:箴言集成

虽然有相当多的文献关于灭菌方法和设备,有很少的书面灭菌对电子产品的影响。本文比较了流行的灭菌方法,并讨论了它们对含有电子产品的物体的适用性。

介绍
由于半导体和封装技术的进步,如今集成电路(ICs)被广泛应用于包括医疗设备在内的各种设备中。医疗应用的一个特殊挑战是需要保持产品无菌,免受有害污染物,如真菌、细菌、病毒和孢子形式。虽然有相当多的文献关于灭菌方法和设备,有很少的书面灭菌对电子产品的影响。本应用笔记比较了流行的灭菌方法,并讨论了它们对含有电子器件的物体的适用性。

物理方法
有几种物理灭菌方法,其中最有效的结合了热与湿度和压力的设备称为高压灭菌器。

高压蒸汽蒸汽灭菌
据了解,在古罗马就曾使用过加热灭菌的医疗器械。水分的存在显著加快热渗透(蒸汽灭菌)。高压釜发明于1879年,它将热量和水分与高压结合在一起。

它是如何工作的1
高压釜是一种类似于高压锅的容器。里面装满了待消毒的物品,然后密封。接下来,高温蒸汽在高压下被迫进入,从而取代空气。湿热通过酶和结构蛋白的不可逆凝结和变性来消灭微生物。达到这一目的的时间和温度取决于压力和要灭活的微生物的类型。在必要的时间过去之后,蒸汽被释放出来,消毒过的物体被移走。整个周期可能需要15到60分钟(批处理)。

问题
高压釜灭菌适用于能够容忍湿度,高压(1至3.5个大气压以上)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。然而,将嵌入式电池暴露在高温下会显著降低其使用寿命。使用浮动门技术的存储器设备,如eeprom,对高温很敏感。然而,如果数据保存时间规定为+125°C 10年,则不应预期数据完整性的损失。否则,应该偶尔刷新(重写)内存数据,以恢复浮动门上的完全充电。这适用于激光裁剪的eeprom。由于在产品数据表中通常没有说明阀内件的类型,因此可能有必要与供应商联系以获取详细信息。

化学方法
在医疗领域有大量的化学灭菌方法。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年首次被报道,并在20世纪初获得了工业上的重要性。用于保存香料的ETO灭菌技术于1938年获得专利。ETO的使用是在对热和湿敏感的医疗设备几乎没有其他灭菌方法的情况下发展起来的。

它是如何工作的2
ETO灭菌器是先装满待灭菌物品的容器。基本的ETO灭菌周期包括5个阶段(带加湿的疏散、气体引入、暴露、疏散和空气洗涤),耗时约2个半小时,不包括曝气时间(去除ETO)。机械曝气在+50 ~ +60℃时需要8 ~ 12小时;被动通气也可以,但需要7天。待曝气完成后,取出灭菌物(批量处理)。ETO与氨基酸、蛋白质和DNA发生化学反应,防止微生物繁殖

问题
ETO灭菌适用于不能维持高温和水分的物体,为蒸汽灭菌(高压釜)所必需的。由于其低+30°到+60°C的温度条件,ETO灭菌过程非常适合嵌入电子设备的医疗设备。然而,这种真空可能不适用于嵌入式电池。此外,这种方法也有一个缺点:ETO是一种高度易燃的、以石油为基础的气体,是一种致癌物。

二氧化氯(CD)气体灭菌
二氧化氯(CD)是在1811年或1814年被发现的(这两个年份都列在表中),它作为造纸业的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登记为消毒剂。这为医学领域的应用打开了大门。

它是如何工作的4, 5
CD灭菌器是先装满待灭菌物品的容器。基本的CD灭菌循环包括五个阶段(加湿预处理、调理、二氧化氯气体的产生和输送、暴露和曝气),大约需要2个半小时,包括曝气时间(清除CD)。待曝气完成后,取出灭菌物(批量处理)。二氧化氯(ClO2)作为一种氧化剂,与多种细胞成分发生反应,包括微生物的细胞膜。通过从它们那里“窃取”电子(氧化),CD破坏了它们的分子键,导致细胞的破裂导致有机体的死亡。由于乳糜泻改变了参与微生物结构的蛋白质,酶的功能被破坏,导致细菌迅速死亡。乳糜泻的效力是由于同时对许多蛋白质进行氧化攻击,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,它的抗菌作用在有机物质存在时保留的时间较长。

问题
CD灭菌适用于不能维持高温和水分的物体,为蒸汽灭菌(高压釜)所必需的。由于+15°到+40°C的低温,CD灭菌工艺非常适合嵌入电子设备的医疗设备。CD气体在本方法使用的浓度下是不可燃的,而且它不致癌。它不需要高浓度才能达到杀孢子效果。

过氧化氢灭菌
过氧化氢于1818年首次被分离出来。它在制药工业中有着悠久的使用历史,是环氧乙烷(ETO)的流行替代品。双氧水可用于两种方式:a)气化双氧水灭菌,b)双氧水等离子体灭菌。

汽化过氧化氢(VHP®)灭菌

它是如何工作的6、7
VHP灭菌器先装满待灭菌物。基本VHP灭菌循环包括三个阶段(调节包括真空产生、注入H2O2和曝气),大约需要1个半小时,包括曝气时间(去除H2O2)。待曝气完成后,取出灭菌物(批量处理)。HPV的确切作用机制仍有待完全了解,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,这些活性氧会攻击多种分子靶标,包括核酸、酶、细胞壁蛋白和脂质。

问题
VHP灭菌适用于不能维持高温和水分的物体,为蒸汽灭菌(高压釜)所必需的。由于其低+25°到+50°C的温度操作,VHP灭菌过程非常适合嵌入电子设备的医疗设备。然而,这种真空可能不适用于嵌入式电池。VHP的侵彻能力低于ETO。

过氧化氢等离子体灭菌

它是如何工作的1
这种方法把化学和物理结合起来。在过氧化氢等离子体灭菌器中,首先填充待灭菌物。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 - 3小时。不需要曝气。循环完成后,取出灭菌物(批量处理)。过氧化氢等离子体灭菌主要通过在等离子体循环阶段结合使用过氧化氢气体和产生自由基(羟基和羟proxyl自由基)来灭活微生物。过氧化氢等离子体灭菌不能与使用超声波产生雾的系统相混淆,因此,不涉及电等离子体放电。

问题
双氧水等离子体灭菌适用于不能维持高温和水分的物体,为蒸汽灭菌(高压釜)所必需的。所需的真空不像VHP灭菌那样深。虽然低+40°到+ 65°C的工艺温度很吸引人,但在等离子放电阶段,200W到400W范围内13.56 MHz的射频能量对嵌入式电子产品来说是有问题的。过氧化氢等离子体灭菌不应用于含有半导体的物体。

辐射的方法

伽马射线灭菌8、13
伽马辐射是1900年在研究镭辐射时发现的。后来,发现了其他来源,如锝-99m和钴-60。γ射线的工业应用始于20世纪50年代,当时的辐射源是钴60。钴60在自然界中不存在;它是在反应堆中人工产生的。钴-60的半衰期为5.2714年。

它是如何工作的9
要消毒的物体放在传送带上,传送带将它们运送到钴60等强伽马辐射源附近。在辐射场中停止,使物体接收到所需的剂量后,传送带继续移动,并暴露下一个物体。而不是停止和走的行动,输送机可以连续移动,以确保适当的剂量(连续加工)。电离辐射引起激发、电离,在有水的地方还会形成自由基。自由基是强氧化(OH, HO2)和还原(H)剂,能够破坏活细胞中的基本分子。因此,所有这三个过程都会导致细胞基本成分如酶和DNA的分解。这导致细胞死亡。最具生物破坏性的伽马射线形式发生在伽马射线窗口,在3MeV和10MeV之间。钴-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10
伽马射线能穿透被辐射物体的深处。它比物理和化学方法快;它在常温和常压下发生。辐照器是一个2米厚的混凝土墙的大型物体,以保护环境免受辐射。由于放射性衰变,暴露时间需要定期调整,以保持恒定的辐射剂量。除了影响活细胞,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,在数秒到数分钟的时间内,硅的总电离量超过5000拉德,会使半导体材料在很长一段时间内降解。例如,在实际应用中,医疗行业会在250到500拉德范围内对仪器和产品进行消毒,在这一范围内,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,伽马射线灭菌可以用于包含兼容设计的半导体器件的物体。

电子束灭菌11
因为电子束是从电子管(也叫真空管)的阴极发射出来的,所以电子束最初被称为阴极射线。阴极射线管(CRT)是在1897年发明的,它可以产生和偏转电子束来扫描荧光屏。随着电视的出现,它成为了一种家庭用品。在电视用的阴极射线管中,光束中的电子在10kV(黑白)或25kV(彩色)的阳极电压下加速,当它们击中屏幕时回到金属导体中。电子束发生器类似于CRT。然而,加速电压可高达1000倍,而且屏幕被钛箔制成的窗户取代,电子可以离开真空,但气体分子远离大气。1956年,当医疗设备行业开发出第一个商业应用时,电子束用于灭菌。

它是如何工作的9、12
待消毒的物体被放在传送带上,传送带将它们缓慢地经过电子束离开发生器的窗口。输送机速度的选择确保了合适的用量(连续加工)。达到灭菌所需的渗透需要5MeV至10MeV的能量水平。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。这种方法可以消灭所有类型的病原体,包括病毒、真菌、细菌、寄生虫、孢子和霉菌。

问题

电子束辐射穿透的深度不如伽马辐射。然而,它比伽马射线灭菌更快,不会产生核废料,并且在常温下正常大气压下进行。电子束辐射比伽马辐射对材料有更好的兼容性。当电子束指向电子元件时,会导致电荷积聚(ESD),进而造成损害。因此,电子束灭菌应该只用于含有半导体的物体,专门设计来容忍电子束辐射水平和ESD积聚。

结论
有物理的、化学的和辐射的方法来对医疗用品进行消毒。每种灭菌方法都有其特殊的特性,这些特性可能与半导体器件兼容,也可能不兼容。当选择一种特定的方法时,应该考虑其潜在的副作用,特别是当涉及到电子设备时。

表1总结了本文讨论的方法以及它们对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。环氧乙烷和气化的过氧化氢也是不含电池的电子医疗设备的极好的灭菌方法。ICs的环氧封装材料不暴露于化学杀菌剂,因此,不会受到影响。如果需要辐射免疫,必须使用特殊设计和兼容的集成电路。

表1:灭菌方法及其相容性

灭菌方法

有问题的参数

兼容性

高压蒸汽蒸汽

高温度、湿度

可以影响浮动门存储单元(EEPROM);降低嵌入式电池的使用寿命(如果有的话)。

环氧乙烷

可燃性,致癌物质

真空会影响嵌入式电池。

二氧化氯

没有一个

不会对电子设备或电池产生不良影响。

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

这种辐射会损坏那些不适合暴露的半导体。

电子束

辐射

这种辐射会损坏那些不适合暴露的半导体。

免责声明
这份申请报告的研究是在2010年6月进行的,完全依赖于公众可以获得的材料参考文献).从那时起,方法和设备可能有了技术改进,立法也有了变化。这些都可能影响上述描述和结论的正确性。因此,在将含有电子器件的医疗设备暴露于任何灭菌方法之前,包括这里没有提到的灭菌方法,请联系医疗设备供应商,以验证您打算使用的灭菌设备是否会对医疗设备造成伤害。

参考文献

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这篇文章的类似版本出现在《EE时报》杂志上。