常见医疗灭菌方法对橡胶性能的影响

常见医疗灭菌方法对橡胶性能的影响橡胶产品被广泛地用于医疗领域。包括橡胶手套、医用瓶塞、各种输液管、医院病床和手推车上的轮子、血压计上的气囊、氧气面罩、热水袋、手术器械的手柄、耳塞、人工心脏瓣膜和各种医疗器械产品的密封件等。常见的橡胶材料有三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、氟橡胶和氯丁橡胶等。这些橡胶的特性各不相同，所以应用也不一样。比如，丁基橡胶常用来做抗生素的瓶塞；硅橡胶常用来做各种医用导管和引流管。在很多设计手册中都有关于它们性能的详细综述，在此不再赘述。在医疗领域中，很多应用都要求产品无菌。所以产品往往一次或多次受到各种严格的灭菌处理。即使是在洁净室里生产出的产品，也只能保证该产品所含微生物和异物相对少些，最后还是需要对其进行灭菌处理。所以，要正确地选择医用材料，除了要考虑材质是否耐受使用环境、是否能提供安全密封等因素外，还要考虑材料是否耐受灭菌过程。灭菌的目的是为了杀灭物体上所有微生物，包括所有细菌、病毒和霉菌等。灭菌的方法有很多种。本文主要讨论4种常见的医疗器械的灭菌方法（γ射线辐射灭菌法、环氧乙烷灭菌法、高压蒸汽灭菌法和干烤灭菌法），及其对橡胶材料性能的影响。γ射线辐射灭菌法γ射线通常为放射性同位素钴60所产生的。该法可在常温下进行，而不破坏易挥发和热敏物质。资料表明对一次性医疗器械来说，25kGy剂量可以有效灭菌[1]。一般认为，γ射线辐射会造成橡胶分子结构的变化，造成材料变硬、变脆、变色、失去弹性等。橡胶受到γ射线辐射后，通常有两种反应发生：一是会发生断链而减少了分子量；二是会产生大分子自由基并互相偶合，提高了交联密度。在高分子材料被辐射的过程中，断链和交联两种机理同时存在，一般以一种为主[2]。郭振涛等人发现在0-200kGyγ射线辐射后，氟橡胶、丁腈橡胶和氰化丁腈橡胶的硬度和定伸应力增大，拉断伸长率下降[3]。由测试数据来看，这几个被测试的胶料受γ辐射后，很可能以交联反应为主；即这些变化可能都是由于橡胶交联密度提高而造成的。表一列出了常见橡胶材料耐辐射的性能，即拉断伸长率下降25%时的剂量[2]。一般来说，含有芳香族的聚合物比脂肪族能耐受更高的辐射[1]。值得注意的是，橡胶种类不是决定其耐受γ射线辐射的唯一因素。橡胶配方里的其他成分，包括硫化剂、填料和助剂等，也有很大的影响。Gautriaud等人研究了γ射线辐射对三种硅橡胶的影响：液体硅胶（LSR）、过氧化物和铂催化剂的固体高温硫化硅橡胶（HCR）。他们发现硅橡胶在25-75kGy强度的γ射线辐射之后，过氧化物硫化的HCR硅橡胶受到的影响最大。因此，不推荐其用于需要γ射线辐射灭菌的管材[4]。AbdEl-megeed等人发现，使用PPD助剂能提高NBR抗γ射线辐射强度到5MGy[5]。除此之外，γ射线辐射后，有些材料机械性能不一定会立即发生变化，可能会有滞后[2]。干烤灭菌法这是一种在干热空气中进行灭菌的方法。根据应用情况，加热所需的温度和时间都不相同。同时，各国药典规定也不一样。干烤灭菌法的温度一般比较高，大约为160°C-170°C或者更高。表一给出了常见橡胶材料的耐温情况。大多数橡胶在灭菌温度下会热老化，即硬度上升、弹性下降。所以该法不适合大多数橡胶制品。*由于橡胶配方和使用环境对橡胶件的性能影响很大，具体应用中，应以实测数据为准，表中的数据仅供参考。高压蒸汽灭菌法这是一种医院常用的灭菌方法，操作原理类似高压锅。它使用高压饱和蒸汽。其操作时间长短和温度范围取决于产品性能和要求。常见条件是在121°C下15分钟或者更长。高压蒸汽灭菌法要求蒸汽必须能够充分接触待灭菌表面。影响其效果的因素有：产品表面清洁度，包装材料，包裹大小，产品在灭菌箱中的堆放程度等。高压蒸汽灭菌法通常用于可重复使用的医疗产品，比如手术器械。对热和蒸汽敏感的产品不适用。除了要考虑蒸汽对材料性能影响外，蒸汽还有可能会破坏材料之间的粘合性，比如橡胶和金属之间的粘接。目前，对有高压蒸汽灭菌需要的医疗产品，一般都会先选择硅橡胶。因为它具有耐高低温、无毒、生物相容性好等特点。市面上有能耐受数十次或者数百次的硅橡胶产品。环氧乙烷灭菌法本法将产品暴露在充有环氧乙烷气体的环境中来灭菌。该法可在室温下进行。其灭菌效果取决于：气体浓度、温度、相对湿度和接触时间。需要灭菌的产品包装必须能让环氧乙烷气体有效透过，才能使其吸附在产品表面来灭菌。文献中研究环氧乙烷灭菌法对橡胶机械性能影响的不多。Gautriaud等人的研究结果表明，该法对硅橡胶的性能没有过大害处；并推荐其作为运输流体用的硅橡胶产品的灭菌方法[2]。环氧乙烷气体本身有毒，灭菌过程中可能还会产生有毒副产物乙二醇和2-氯乙醇。所以，灭菌结束后还必须有通风的过程。有些材料可能还需要做进一步处理。最后还必须要检查材料中所吸附的各种残留溶剂量。如果产品最后需要做环氧乙烷灭菌，选择橡胶材料时就要注意是否有足够的数据来证明其中残留溶剂量是属于安全范围内的。另外，各种材料所需的通风时间和条件都不相同。有很多文献研究了在灭菌通风后，高分子材料中的残留环氧乙烷量[6-7]。根据测试结果，在室温下，将硅橡胶中残留环氧乙烷降低同样的浓度，其所需的通风时间要比天然橡胶和氯丁橡胶短很多[7]。综上所述，橡胶材料对某种灭菌法的耐受程度取决于其种类和配方。必须要根据最终产品的灭菌方法来选择合适的橡胶部件。换句话说，如果有多种灭菌方法可以使用时，就必须要考虑到产品中各个部件的耐受性。有时候，由于产品特殊的设计，其中的橡胶件不一定会受到最大剂量影响。所以，最终还要靠实际测试来检验整个产品是否符合各项要求。References:[1]国际原子能机构(IAEA),“GuidelinesforIndustrialRaidationSterilizationofDisposableMedicalProducts(Cobalt-60GammaIrradiation)”,ISSN1011-4289,Austria,1990[2]KarlJ.Hemmerich，“PolymerMaterialsSelectionforRadiation-SterilizedProducts”，MDDI,2000年2月，[3]郭振涛，矫阳，李淑凤，康兴川，刘江伟，张艳霞，郭月莹，“几种耐油橡胶材料的γ辐射效应研究”,特种橡胶制品，4,2010年[4]EmilieGautriaud，KeithT.Stafford,JenniferAdamchuk,MarkW.Simon,DuanLiOu,“EffectofSterilizationontheMechanicalPropertiesofSiliconeRubbers”,BioprocessInternational,Supplement,8(2):42-49,2010[5]A.A.AbdEl-megeed,MahmoudShafy,ElhamM.Hegazi,“EffectofPPDsAntioxidantsontheBehaviorofNBRSealMaterialsUnderγ-Irradiation”,FacultyofEngineeringatShoubra,2009年7月[6]P.Vink，K.Pleijsier，“AerationofEthyleneOxide-SterilizedPolymers”,Biomaterials,7(3):225-230,1986年5月