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医疗器械环氧乙烷灭菌如何确认？

2023-11-09 17:49:24

环氧乙烷是一种广泛使用的化学灭菌剂，环氧乙烷灭菌是当前医疗器械灭菌最主要的两种方式之一。由于灭菌是一个特殊过程，其输出难以用常规的测量或检测手段加以验证，例如产品的无菌测试为破坏性测试，故有必要进行过程确认。本文主要讨论环氧乙烷灭菌过程确认中的某些概念和方法。


前  言


气态环氧乙烷灭菌是化学灭菌法的一种，由于其对细菌、病毒、芽胞等绝大多数微生物均具有强大的灭菌作用，灭菌范围极广。加之环氧乙烷具有穿透性强、灭菌温度低、对产品基本无损（相对于辐照灭菌）等特点，成为目前医疗器械尤其是一次性使用医械的两大主流灭菌方法之一，在国内外均有广泛使用 。

由于灭菌过程是一个特殊过程，过程确认是无菌保证的重要环节。环氧乙烷灭菌确认有半周期法、部分阴性法等不同方法，各方法侧重点不同，但均会涉及到微生物挑战器械、环氧乙烷残留、产品族分类等基本问题。本文试从这些基本问题出发，对相关的概念和处理方法做简单介绍。

 

 


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微生物挑战器械的相对抗性 


环氧乙烷灭菌确认的最主要目的，是要从微生物学角度证明过程的灭菌能力，因而确认中一个重要环节是制备和选择微生物挑战的具体形式，一般有以下三种微生物学挑战形式 ：

（a）产品生物负载 (Bio-burden)，即以正常产品的自然生物负载做为微生物挑战，其具体形式是产品本身 ；

（b）内部过程监测器材 (Internal Process Challenge Device, IPCD)，是将生物指示剂（Biological Indicator, BI）放置于产品内部最难灭菌的部位而形成的 ；

（c）外部过程监测器材 (External Process Challenge Device, EPCD)，是将生物指示剂放置于产品外部的某种载体中而形成的。

上述 3 种挑战形式中，应证明其相对抗性关系为 IPCD ≥产品生物负载，理论上 EPCD 并非必需品，不用亦可。然而考虑到常规灭菌操作中，IPCD 的放置和取出需要两次拆开产品包装（如托盘、纸箱），会带来包装污染等潜在质量风险，且工作量也较大，使用 EPCD 是绝大多数人的选择。当使用 EPCD 时，同时需证明 IPCD 和 EPCD 之间的抗性关系为 EPCD ≥ IPCD。
1.1 相对抗性关系 IPCD ≥产品生物负载的证明
此即 BI 合适性 (the appropriateness of BI) 的证明 , 通常有两种证明方法 ：
（a）生物负载法
这种方法即通过测试产品的自然生物负载和BI 的生物负载来比较，含数量上的比较和抗性上的比较。
数量上的比较即比较 BI 的孢子计数值和产品上的自然生物负载值。
抗性上的比较即比较不同菌种间的抗性差异。环氧乙烷灭菌中用到的 BI 是萎缩芽孢杆菌，其抗性强于绝大多数微生物，有充分的文献记载。值得注意的是，近年来自我国产的部分棉花中发现有砖火丝菌 (Pyronema Domestica)，其对环氧乙烷的抗性很强。故对我国产的棉花为原料的产品，应考虑进行砖火丝菌的相关检测，必要时以湿热灭菌法进行预处理。
（b）无菌测试法
这种方法是将产品和 IPCD 用同一个亚致死周期（Sub-lethal Cycle）灭菌，之后分别进行产品和 BI 的无菌测试。如果产品测试为无菌，而IPCD 呈现出部分阳性结果，则说明同样的灭菌参数能对产品形成全杀灭，而不能对 BI 形成全杀灭，故能证明 IPCD 对灭菌过程的抗性强于产品本身的抗性。
在存在砖火丝菌的情况下，由于产品很难被环氧乙烷灭菌，故产品无菌测试可能在相当强的过程参数下仍出现阳性结果。此时应考虑砖火丝菌的相关检测，同样，必要时以湿热灭菌法进行预处理。
1.2 相对抗性关系 EPCD ≥ IPCD 的证明
这种证明方式相对简单，通常是将 EPCD 和IPCD 经过同一个亚致死周期处理，然后比较其对灭菌过程的相对抗性即可。相对抗性的比较一般通过 D 值的计算来进行，D 值越大，抗性越强。如果计算出的 EPCD 的 D 值大于 IPCD 的 D值，则可证明 EPCD 的抗性强于 IPCD 的抗性。
值得说明的是，有时会出现 EPCD 抗性略弱于 IPCD 的情况，对此 ISO/TS 11135-2 ：2008 指出，如果两种 PCD 的抗性差异小于 20%，这两种PCD 可视为等同。笔者建议在实际工作中，应尽量避免这种情况。
根据上面的原理，如果需要引入新的 PCD，也可将新 PCD 与原有 PCD 经过同一个亚致死周期处理，之后比较其抗性，来确定是否可以引入新 PCD。
该方法同时也是新产品引入时广泛运行的一种方法，即：当有新产品需要引入当前经过确认的灭菌过程的时候，可将 BI 放入新产品最难灭菌的部位，形成备选 IPCD，将备选 IPCD 与已确认的 PCD 经过同一个亚致死周期处理，之后比较其抗性。如果备选 IPCD 的抗性弱于已确认的 PCD，则说明新产品较之前的产品或 PCD 更容易灭菌，因而可以用当前的灭菌过程灭菌。
2.1 D 值的计算方法
如第 1 部分所述，在选择 PCD 时需要比较其抗性，具体的衡量指标是 D 值。D 值是指在既定条件下使测试微生物灭活 90% 的时间或剂量（对EO 灭菌而言是灭菌时间）。D 值的计算有 HSKP法、SMCP 法等方法，下面列出较常见的 SMCP法（Stumbo-Murphy-Cochran Procedure）的计算公式 ：

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 r 为测试为阴性的 BI 个数。
2.2 D 值的意义
D值是有重要意义的指标，如上所述可以比较 PCD 对灭菌过程的抗性。不同的 PCD 经过亚致死周期后可根据上面的公式计算 D 值，D 值越大，PCD 抗性越强。
同时 D 值也可用来估算所需的灭菌时间。D值实际上体现的是生物负载下降一个对数值所需的灭菌时间，即生物负载下降 101 所需的灭菌时间。假设 PCD 的生物负载为 106，在半周期法中，PCD 应被全部杀灭，因而半周期的灭菌时间应等于 6 倍 D 值或更长。全周期和常规灭菌时间加倍，即等于 12 倍 D 值或更长。

 

环氧乙烷残留


医疗器械经环氧乙烷灭菌后，会有一定程度的残留。残留物质由于可能损害人体健康，因此需要加以控制，主要的手段是进行解析（aeration）。通常在灭菌确认中（也可以在常规处理中）进行残留量的检测，据此来确定所需的解析条件。

3.1 残留物质 
当采用环氧乙烷对医疗器械进行灭菌时，可能的残留物质有以下三种 ：
（a）环氧乙烷（EO） 
（b）2- 氯乙醇 (ECH)
（c）乙二醇 (EG)
ISO 10993-7:2008 规定了当采用 EO 灭菌的医疗器械存在 ECH 时，ECH 的最大允许残留量，但未规定 EG 的接触量限度，因为按照该标准的要求控制 EO 时，不太可能存有显著生物学影响的 EG 残留量。因此通常在灭菌残留检测时，主要是检测 EO 和 ECH。
3.2 残留限度 
关于残留量的限度各个国家的标准有所不同，有的国家采用毫克 / 器械的限度标准，有的国家采用 ppm（μg/g）的限度标准。多数欧美国家的通行标准是 ISO 标准，根据接触时间的不同，将器械分为短期接触、长期接触、持久接触（注 ：另外有特殊情况的器械），分别规定残留量限度。
我国现行标准 GB/T 16886.7-2001 等同采用1995 版 ISO 10993-7。值得注意的是，由于 ISO 10993-7 已经从 1995 版升至 2008 版，后者标准更为严格。以短期接触器械为例，GB/T 16886.7-2001 由于等同采用 1995 版 ISO 10993-7，其规定限度为 EO 不超过 20 毫克 / 器械，ECH 不超过12 毫克 / 器械 ；而 2008 版 ISO 10993-7 规定的限度为 EO 不超过 4 毫克 / 器械，ECH 不超过 9 毫克 / 器械。
另外，我国对于一次性使用医疗器械，还规定其 EO 残留量不得超过 10μg/g，故对内销产品应注意这一要求。

EO 产品族和处理组

 

实际工作中，需要用环氧乙烷灭菌的产品可能种类众多，由于灭菌确认时间长、费用高，对每种产品分别进行灭菌确认是不经济的，很多情况甚至是不现实的。为实现多种产品一起确认、一起灭菌的问题，较常用的做法是将产品分成EO 产品族或处理组，对 EO 产品族或处理组中的代表性产品或 PCD 完成确认后，即可对产品族或处理组中的所有产品进行常规灭菌。

4.1 EO 产品族 

EO 产品族是指对于确认而言相似或等同的一系列产品。将产品归于产品族中时，考虑到的主要因素有产品设计和功能、生产方式、生产环境或区域、材料构成、包装材料、无菌屏障或保护性包装模式、密度、尺寸大小和 / 或表面积，以及生物负载等。

4.2 处理组

将 EO 产品族的概念进一步推而广之，即得到处理组的概念 ：处理组是指能用同一 EO 灭菌过程灭菌的一系列产品或产品族。

从上述定义可以看出，处理组与产品族相比，涵盖的范围更广，可以包含不同的产品族。处理组所含的产品可能在材料、构造、包装等各方面不尽相同，这是跟产品族不同的概念。但是处理组内部的产品有一点是一致的，即他们都可用某一 PCD 来代表其微生物挑战。

4.3 EO 产品族和处理组概念的运用

EO 产品族和处理组的概念对实际工作有重要的指导意义，使得以较少的工作同时验证种类各异的产品成为可能，可以节约大量的时间和费用。下面是其具体运用的一种方法 ：

（a）将待验证产品分成不同的 EO 产品族 ；

（b）确定各个 EO 产品族的 PCD，并比较其相对抗性 ；

（c）选择相对抗性最强的的 PCD 做为处理组的主 PCD ； 

（d）以处理组的主 PCD 进行灭菌确认 ；

（e）确认完成后，该处理组内的所有产品可用同一灭菌过程同时进行常规处理。


过程等效性

 

对灭菌过程而言，在不同灭菌设备上运行，由于灭菌设备本身可能存在差异，其输出（即灭菌效果）可能不同。因此即使对于完全一致的灭菌过程，在不同的灭菌设备上运行时，也需要分别进行灭菌确认，这个道理跟医疗器械的生产、包装等设备是一致的。

然而对于拥有多台相似灭菌设备的厂家而言，在各灭菌设备上对相同的产品和参数分别进行全面的灭菌确认时间和经济成本较高，且可能不必要，因此这里我们介绍过程等效性的概念。

过程等效性 ：两个或以上的灭菌设备能以既定的参数达到相同的灭菌过程的书面评估。

过程等效性的评估通常分为过程分析和评估，以及微生物评估两部分。过程分析和评估除了灭菌柜之外，还需要考虑灭菌过程的其他相关设备，例如预处理室和解析室。评估的一个重点在于详细比较各系统的异同，如制造商、品牌型号、功率大小等，另一个重点在于其过程效果，如真空速率、温湿度分布等。

微生物评估主要是以运行部分周期或半周期等方式，证明灭菌过程能够达到规定的最低 SAL（无菌保证水平）。

对于已在某灭菌设备上确认过的灭菌过程而言，转移到其他灭菌设备的步骤通常包括 ：

（a）将备选设备与现有设备进行评估，如果具有等同性，则 ：

（b）运行一个半周期（或是部分周期），检测PCD 中的 BI 并记录装载温湿度 ；

（c）将装载温湿度数据与原有数据进行比较，进行装载参数的评估 ；

（d）计算 SAL，进行微生物方面的评估，看是否能到达规定的 SAL。

如此，可将现有工艺和产品转移到等效的灭菌设备上。


结 语

 

综上所述，环氧乙烷灭菌确认涉及到微生物挑战器械、残留量检测以及产品、过程等诸多方面，实际工作中可能遇到的问题也较多，但是合理地运用某些方法，在科学合理的基础上经济地进行灭菌确认是可能的。本文对相关的内容试做简单梳理，希望能对同行和感兴趣的读者有所帮助。


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