醫(yī)療應(yīng)用中的幾種滅菌方法及其對電子元件的影響

摘要：盡管可以找到大量關(guān)于滅菌方法及設(shè)備的文獻(xiàn)，但很少涉及滅菌法對電子器件的影響。本文對常見的滅菌法進(jìn)行了比較，并討論了其對含有電子器件的對象的適用性。

引言

得益于半導(dǎo)體和封裝工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在的集成電路(IC)被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，包括醫(yī)療器械。醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的一項特殊挑戰(zhàn)是需要保持產(chǎn)品無菌——不含有害污染，例如真菌、細(xì)菌、病毒及孢子類。盡管有大量關(guān)于滅菌法及設(shè)備的文獻(xiàn)，但是很少涉及滅菌法對電子器件的影響。本應(yīng)用筆記對常見的滅菌法進(jìn)行了比較，并討論了其對含有電子器件的對象的適用性。

物理法

有多種物理滅菌法，其中最有效的是將熱、濕和壓力組合在一個稱為高壓蒸汽滅菌器的裝置中。

高壓蒸汽滅菌器滅菌法

醫(yī)療設(shè)備的熱滅菌法早在古羅馬已經(jīng)得到應(yīng)用。蒸汽的存在明顯加速了熱量滲透(蒸汽滅菌)。發(fā)明于1879年的高壓蒸汽滅菌器融合了熱、濕和高壓。

工作原理1

高壓蒸汽滅菌器是類似于高壓鍋的容器。將待滅菌的對象置于其中，然后密封。接著，在高壓下充入高溫蒸汽，從而替代空氣。濕熱通過酶類和結(jié)構(gòu)蛋白的不可逆凝固和變性殺死微生物。實現(xiàn)這一目的的時間和溫度取決于壓力及被滅殺的微生物類型。經(jīng)過必要的時間之后，釋放蒸汽，取出被滅菌的對象。整個周期持續(xù)15至60分鐘(批量處理)。

問題

高壓蒸汽滅菌器滅菌適合于能承受濕氣、高壓(高于環(huán)境1至3.5個大氣壓)及高溫(+121℃至+148℃)的對象。典型例子有外科器械。半導(dǎo)體器件通?？沙惺茏罡?125℃的溫度。然而，嵌入式電池處于高溫下會大大縮短壽命。采用浮柵技術(shù)的存儲器件，例如EEPROM，對高溫很敏感。然而，如果規(guī)定數(shù)據(jù)保持能力在+125℃下為10年，就不應(yīng)該破壞數(shù)據(jù)完整性。否則，就可能意外刷新(重寫)存儲器數(shù)據(jù)，在浮柵上恢復(fù)滿電荷。這適用于激光微調(diào)EEPROM。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料中往往不給出微調(diào)類型，所以就有必要聯(lián)系廠商獲取詳細(xì)信息。

化學(xué)法

有很多化學(xué)法可用于醫(yī)療領(lǐng)域的滅菌。本節(jié)討論常見的幾種方法?；瘜W(xué)法和物理法可組合應(yīng)用。

環(huán)氧乙烷(ETO)滅菌

環(huán)氧乙烷(ETO)首次報告于1859年，早在20世紀(jì)初期就在工業(yè)領(lǐng)域占有重要地位。用于保存香料的ETO滅菌法在1938獲得專利。由于幾乎沒有替代方案可用于對熱和濕氣敏感的醫(yī)療裝置進(jìn)行滅菌，所以ETO的用途得到了不斷發(fā)展。

工作原理2

ETO滅菌器是一種可容納待滅菌對象的容器。基本的ETO滅菌周期包括5個步驟(蒸汽抽空、氣體注入、擴(kuò)散、抽空，及空氣沖洗)，需要大約2 1/2個小時，不包括通風(fēng)時間(排盡ETO)。機(jī)械通風(fēng)在+50至+60℃下需要8至12個小時；也可以被動通風(fēng)，但可能需要7天。完成通風(fēng)后，取出被滅菌對象(批處理)。ETO與氨基酸、蛋白質(zhì)及DNA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，阻止微生物繁殖。

問題

ETO滅菌適合于不能承受蒸汽(高壓蒸汽滅菌器)滅菌所必需的高溫和蒸汽的對象。由于溫度條件為+30°至+60℃，所以ETO滅菌非常適合于含有嵌入式電子的醫(yī)療器械。然而，嵌入式電池可能不能接受真空。此外，該方法有個不利因素：ETO是一種高易燃、石油基氣體和致癌物。

二氧化氯(CD)氣體滅菌

二氧化氯(CD)發(fā)現(xiàn)于1811年或1814年(這兩年均有列出)，作為造紙行業(yè)的漂白劑得到廣泛應(yīng)用。1988年，EPA將其登記為一種殺菌劑。這為醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。

工作原理4，5

CD滅菌器是一種可容納待滅菌對象的容器?；镜腃D滅菌周期包括5個步驟(潮濕預(yù)處理、調(diào)理、產(chǎn)生和供應(yīng)二氧化氯氣體、擴(kuò)散，及通風(fēng))，需要大約2 1/2個小時，包括通風(fēng)時間(排盡CD)。完成通風(fēng)后，取出被滅菌對象(批處理)。二氧化氯(ClO2)作為氧化劑與幾種細(xì)胞成分發(fā)生反應(yīng)，包括微生物的細(xì)胞膜。CD通過從對象中“盜竊”電子(氧化)，斷開其分子鍵，使有機(jī)物細(xì)胞破裂而死亡。由于CD改變微生物結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)，酶功能被破壞，導(dǎo)致細(xì)菌快速死亡。CD的威力歸因于對許多蛋白質(zhì)同時進(jìn)行氧化侵蝕，因此能防止細(xì)胞突變?yōu)榭剐汀４送?，由于二氧化氯的低活性，其制菌作用在存在有機(jī)物的情況下能保持較長時間。

問題

CD滅菌適合于不能承受蒸汽(高壓蒸汽滅菌器)滅菌所必需的高溫和蒸汽的對象。由于溫度條件為+15°至+40℃，所以CD滅菌非常適合于含有嵌入式電子的醫(yī)療器械。CD氣體在該方法使用的濃聚物中為非易燃性，也非致癌物。它不需要高濃度即可達(dá)到殺死孢子的效果。

過氧化氫滅菌

過氧化氫于1818年首次被隔離出來。它在制藥行業(yè)具有很長的使用歷史，是環(huán)氧乙烷(ETO)的常見替代品。過氧化氫有兩種使用方法：a)汽化過氧化氫滅菌和b)過氧化氫離子滅菌。

汽化過氧化氫(VHP)滅菌

工作原理6，7

首先將待滅菌的對象置于VHP滅菌器中?；镜腣HP滅菌周期包括3個步驟(包括真空發(fā)生的調(diào)理、H2O2注入和通風(fēng))，需要大約1 1/2個小時，包括通風(fēng)時間(排盡H2O2)。完成通風(fēng)后，取出被滅菌對象(批處理)。HPV的準(zhǔn)確作用機(jī)理尚待完全理解，并且可能依微生物的不同而有所不同。H2O2通過生成活性氧粒子，例如羥基，從而發(fā)生氧化應(yīng)激，攻擊多個目標(biāo)，包括核酸、酶類、細(xì)胞壁蛋白質(zhì)及脂類。

問題

VHP滅菌適合于不能承受蒸汽(高壓蒸汽滅菌器)滅菌的高溫環(huán)境和蒸汽處理的對象。由于溫度條件為+25°至+50℃，所以VHP滅菌非常適合于含有嵌入式電子的醫(yī)療器械。然而，嵌入式電池可能不能接受真空。VHP的滲透能力不如ETO，并且美國FDA尚未批準(zhǔn)將該方法用于衛(wèi)生保健機(jī)構(gòu)的醫(yī)療器械滅菌。

過氧化氫離子滅菌

工作原理1

該方法是化學(xué)與物理法的組合。首先將待滅菌的對象置于過氧化氫離子滅菌器中?；镜倪^氧化氫離子滅菌周期包括4個步驟(生成真空、H2O2注入、擴(kuò)散和離子放電)，需要大約1至3個小時。無需通風(fēng)。周期完成后，取出被滅菌對象(批處理)。過氧化氫離子滅菌主要利用過氧化氫氣體及在周期的離子階段產(chǎn)生游離基(羥和過氧游離基)組合作用來殺滅微生物。

問題

過氧化氫離子滅菌適合不能承受蒸汽(高壓蒸汽滅菌器)滅菌的高溫環(huán)境和蒸汽處理的對象。所需的真空沒有VHP滅菌深。盡管+40℃至+ 65℃的過程溫度很合適，但離子放電階段的13.56MHz射頻能量達(dá)到200W至400W范圍，會對嵌入式電子造成影響。過氧化氫離子滅菌不應(yīng)用于含有半導(dǎo)體的對象。