電子束及X射線醫(yī)學(xué)滅菌技術(shù)

6/6電子束及X射線醫(yī)學(xué)滅菌技術(shù)在醫(yī)療器械市場(chǎng)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的刺激下滅菌需求也隨之高漲，使得各類滅菌方式層出不窮。大多數(shù)一次性醫(yī)療器械都由聚合物制成，只能承受適度的溫升。數(shù)十年來(lái)，“低溫”滅菌方法一直以環(huán)氧乙烷和伽馬射線輻照兩種技術(shù)為主流。由于市場(chǎng)擔(dān)心這類方法的未來(lái)供應(yīng)能力（無(wú)論是否合理）及其對(duì)全球滅菌產(chǎn)能所造成的潛在影響，再次點(diǎn)燃了人們尋求替代性技術(shù)的熱情，尤其是電子束及X射線輻照滅菌技術(shù)。

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，電子加速器開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)，主要用于聚合物改性，如電纜絕緣體的聚乙烯交聯(lián)。使用電子束對(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行滅菌可追溯到20世紀(jì)70年代。如今，不少主流醫(yī)療器械制造商都紛紛采用電子束加速器作為一種內(nèi)部滅菌解決方案，同時(shí)將電子束輻照滅菌外包的意愿也日益濃厚。2011年，首個(gè)高功率X射線滅菌設(shè)施（現(xiàn)歸STERIS所有）在瑞士投入運(yùn)營(yíng)。自2020年起，新投入運(yùn)營(yíng)的EB-X滅菌設(shè)施數(shù)量已超過(guò)了伽馬滅菌設(shè)施。在美國(guó)（靠近德州達(dá)拉斯、馬薩諸塞州諾斯伯樂(lè)、伊利諾伊州利伯蒂維爾）、德國(guó)、荷蘭（芬洛）及泰國(guó)（春武里）都已或正在投建全新的X射線滅菌產(chǎn)能。

加速器作為電離性輻射源，相對(duì)于鈷-60具有以下優(yōu)勢(shì)：

耐用電氣設(shè)備，可從許多供應(yīng)商處獲得

可以暫停電離輻射發(fā)射

安全特性確?？奢p松滿足相關(guān)許可及監(jiān)管要求

伽馬輻照器特性:

機(jī)器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，備件預(yù)算高昂，且操作需要超高專業(yè)資質(zhì)，通常需簽訂維護(hù)合同才能確保順利使用

可即刻滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，僅需通過(guò)調(diào)整使用時(shí)間即可自如應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求變化。機(jī)器處于空閑狀態(tài)時(shí)不耗電

電子加速器

加速器向機(jī)器產(chǎn)生的電子施以不斷增加的動(dòng)能，使其以波束形式掃描以可控速度移動(dòng)的物品，并通過(guò)速度調(diào)整輻射劑量。電子的加速方式以及產(chǎn)品在電子束中的暴露方式?jīng)Q定了機(jī)器類型。除技術(shù)要求之外，對(duì)用戶而言，另一個(gè)關(guān)鍵因素是機(jī)器確保產(chǎn)品獲得所需輻射劑量及劑量分布最終需要的能量。

電子束能量和功率是加速器的兩大特性:

能量單位為兆電子伏特(MeV)或千電子伏特(keV)，而電子伏特是一個(gè)可換算為焦耳的能量單位。能量決定了光束穿透產(chǎn)品的距離，進(jìn)而決定了滅菌效果的不均勻程度，對(duì)應(yīng)的定量指標(biāo)為最大與最小劑量的比率（劑量均勻性比率或DUR）。因此，對(duì)于特定產(chǎn)品和包裝類型及密度，能量是決定滅菌產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，能量越高，機(jī)器、占地面積、所需的輻射屏障越大，投資成本越高。

對(duì)于特定的能量和目標(biāo)產(chǎn)品，加速器吞吐量與功率(kW)成正比。系統(tǒng)能量越大，輻射特定劑量所需的時(shí)間越短。功率選擇是一項(xiàng)關(guān)鍵決策，必須基于未來(lái)幾年所需處理能力預(yù)測(cè)結(jié)果妥善選擇。

電子加速器可用來(lái)產(chǎn)生兩種電離輻射：電子束和X射線。金屬靶材放置在加速器發(fā)射的電子束和產(chǎn)品之間，電子束擊中靶材時(shí)就會(huì)產(chǎn)生X射線。大部分入射電子能量以熱量形式耗散掉，僅小部分轉(zhuǎn)化為X射線，這也解釋了在超高功率、中等功率和高能加速器出現(xiàn)之前，X射線為什么未能成為商業(yè)可行的醫(yī)療器械滅菌方案。比較吸收劑量（每消耗一電能單位時(shí)物體所吸收的能量(kGy)），電子束顯然是比X射線更有效的技術(shù)，但X射線較為廣泛的產(chǎn)品處理范圍和靈活性又讓我們?cè)趯?shí)際選擇時(shí)不得不作出取舍。

電子束還是X射線？亦或二者聯(lián)用？

電子束處理時(shí)間極短，在幾秒鐘內(nèi)即可提供伽馬輻照幾小時(shí)才能提供的滅菌劑量。這意味著，使用大功率電子束加速器可實(shí)現(xiàn)超高吞吐量。高劑量率帶來(lái)的另一個(gè)好處是材料氧化時(shí)間超短，有助于最大限度地減少對(duì)某些聚合物的負(fù)面影響。

加速電子最大的短板是產(chǎn)品穿透能力低于伽瑪射線或X射線光子，這是因?yàn)殡娮泳哂匈|(zhì)量且?guī)ж?fù)電荷。盡管如此，由于電子束能量最高可達(dá)10MeV，因此可順利應(yīng)用于均勻包裝的中低密度產(chǎn)品中，如紗布、醫(yī)用窗簾、毛巾、繃帶、傷口護(hù)理敷料、實(shí)驗(yàn)室器具、瓶子、瓶蓋、容器、試管組、手術(shù)托盤(pán)、導(dǎo)管等。

對(duì)于僅需表面滅菌或（單個(gè)包裝）厚度和密度足夠低的項(xiàng)目，可以使用自屏蔽裝置生成的低能(80-300keV)或中能（最高5MeV）電子進(jìn)行直列式滅菌。在制藥行業(yè)，全球有超過(guò)30個(gè)單位使用電子束進(jìn)行無(wú)菌灌裝。裝有玻璃注射器的容器在電子束隧道中凈化，確保填充區(qū)中的無(wú)菌區(qū)不受污染。最近還出現(xiàn)了一種使用脈沖電子束的新型直列式電子束殺菌技術(shù)。

超過(guò)一定包裝尺寸或密度時(shí)，在規(guī)定的劑量范圍內(nèi)電子束滅菌在技術(shù)上將不再可行。X射線是輻射滅菌中一種不涉及放射性物質(zhì)的替代方法。X射線由光子組成，傳播和穿透特性非常類似伽馬射線中的光子。其劑量分布與伽馬輻射相當(dāng)甚至有時(shí)超出，且處理時(shí)間更短。它的穿透和滅菌均勻性與伽馬輻射相當(dāng)甚至更佳，可對(duì)整個(gè)托盤(pán)進(jìn)行滅菌。

對(duì)電子束和X射線的選擇取決于包裝的尺寸、密度、幾何形狀以及所規(guī)定最小和最大劑量之間的范圍（要求達(dá)到的DUR比率）。

雙重技術(shù)系統(tǒng)（電子束和X射線）的混合解決方案能夠適應(yīng)不同DUR公差的產(chǎn)品。雙系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于靈活性，可對(duì)某些產(chǎn)品使用一種技術(shù)滅菌，對(duì)其他產(chǎn)品使用另一種技術(shù)進(jìn)行滅菌。但雙重系統(tǒng)難免以一種技術(shù)主導(dǎo)：或?yàn)榫哂蠿射線能力的電子束系統(tǒng)，或?yàn)榫哂须娮邮芰Φ腦射線系統(tǒng)。因此，雙重系統(tǒng)是一種折衷的解決方案，適用于需要滅菌的產(chǎn)品非常多樣化時(shí)使用。

滅菌方式變更

醫(yī)療器械制造商所處的監(jiān)管環(huán)境往往使他們變得保守。伽馬輻射雖然不一定是最優(yōu)選擇，但人們對(duì)它更為熟悉且這一技術(shù)本身也更為簡(jiǎn)單，因此選擇起來(lái)阻力更小——特別是對(duì)于那些重新驗(yàn)證成本過(guò)于昂貴的老式產(chǎn)品。即使在監(jiān)管者層面，推進(jìn)轉(zhuǎn)型也可能因?yàn)槿狈?duì)電子束、尤其是X射線的認(rèn)知而受到阻礙。ISO11137-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輻射滅菌的三種模式都進(jìn)行了規(guī)定，但相對(duì)其他兩種類型的電離輻射，伽馬輻射還是被使用得多得多。在過(guò)去的三年里，各方行業(yè)參與者都在試圖轉(zhuǎn)變醫(yī)療器械制造商的觀念。

在美國(guó)，由太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)運(yùn)作的“TeamNablo”項(xiàng)目組織了一場(chǎng)涉及主要醫(yī)療器械制造商的行業(yè)合作，旨在填補(bǔ)不同類型電離輻射材料兼容性方面的知識(shí)空白(3)。2020年，伽瑪和電子輻照小組總結(jié)了ENISO11137-1中規(guī)定的在輻射滅菌方式轉(zhuǎn)型的規(guī)范要求，尤其是從伽馬射線轉(zhuǎn)為X射線時(shí)(4)。生物工藝系統(tǒng)聯(lián)盟(BPSA)制定了一項(xiàng)測(cè)試方法，使許多經(jīng)過(guò)伽馬射線認(rèn)證的數(shù)據(jù)也能充分應(yīng)用于X射線(5)。國(guó)際輻射學(xué)會(huì)(IIA)發(fā)布了一份加速器買(mǎi)家指南，幫助制造商僅需投資決策(6)。美國(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)(AAMI)將在2022年初發(fā)布標(biāo)題為《輻射場(chǎng)所或模式之間的轉(zhuǎn)換產(chǎn)品》的AAMITIR104標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

最近的發(fā)展清楚地表明，在現(xiàn)有滅菌方法中，基于加速器的電子束和X射線滅菌技術(shù)正變得越來(lái)越重要。這是多重外部因素疊加的結(jié)果，其中包括：對(duì)滅菌能力的需求增加、對(duì)已確立模式的前沿思考以及對(duì)滅菌能力風(fēng)險(xiǎn)管理的需求等。同時(shí)，這也是加速器技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的結(jié)果。全新的