Sterilisationsmethoden für medizinische Geräte und Informationen

Eine ähnliche Version dieses Artikels erschien in der Ausgabe vom 8. Juli 2011 des EE Times Magazine.

Einführung

Dank der Fortschritte in der Halbleiter- und Verpackungstechnologie finden sich heute integrierte Schaltkreise (ICs) in einer immer breiteren Palette von Geräten, einschließlich medizinischer Geräte. Eine besondere Herausforderung für medizinische Anwendungen ist die Notwendigkeit, die Produkte steril zu halten – frei von schädlichen Verunreinigungen wie Pilzen, Bakterien, Viren und Sporenformen. Obwohl es beträchtliche Literatur über Sterilisationsmethoden und -geräte gibt, wird nur sehr wenig über die Auswirkungen der Sterilisation auf die Elektronik geschrieben. Diese Application Note vergleicht gängige Sterilisationsmethoden und diskutiert deren Eignung für Objekte, die Elektronik enthalten.

Physikalische Methoden

Es gibt mehrere physikalische Sterilisationsmethoden, von denen die effizienteste Wärme mit Feuchtigkeit und Druck in einem Gerät kombiniert, das als Autoklav bezeichnet wird.

Autoklav-Dampfsterilisation

Es ist bekannt, dass die Hitzesterilisation von medizinischen Instrumenten im alten Rom verwendet wurde. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit beschleunigt das Eindringen von Wärme erheblich (Dampfsterilisation). Der 1879 erfundene Autoklav kombiniert Wärme und Feuchtigkeit mit erhöhtem Druck.

Wie es funktioniert1

Der Autoklav ist ein Behälter ähnlich einem Schnellkochtopf. Es wird mit den zu sterilisierenden Gegenständen gefüllt und dann versiegelt. Als nächstes wird Hochtemperaturdampf unter hohem Druck eingedrückt, wodurch Luft verdrängt wird. Feuchte Hitze zerstört Mikroorganismen durch irreversible Koagulation und Denaturierung von Enzymen und Strukturproteinen. Die Zeit und Temperatur, um dies zu erreichen, hängen vom Druck und der Art der zu inaktivierenden Mikroorganismen ab. Nach Ablauf der erforderlichen Zeit wird der Dampf abgelassen und die sterilisierten Gegenstände entfernt. Der gesamte Zyklus kann 15 bis 60 Minuten dauern (Stapelverarbeitung).

Probleme

Die Autoklavsterilisation eignet sich für Objekte, die Feuchtigkeit, hohen Druck (1 bis 3,5 Atmosphären über der Umgebung) und hohe Temperaturen (+ 121 ° C bis + 148 ° C) vertragen. Typische Beispiele sind chirurgische Instrumente. Halbleiterbauelemente können in der Regel bis zu +125 ° C verarbeiten. Wenn eingebettete Batterien jedoch hohen Temperaturen ausgesetzt werden, verringert sich ihre Lebensdauer erheblich. Speichergeräte, die Floating-Gate-Technologie verwenden, wie z. B. EEPROMs, können gegenüber hohen Temperaturen empfindlich sein. Ein Verlust der Datenintegrität ist jedoch nicht zu erwarten, wenn die Datenaufbewahrung mit 10 Jahren bei +125 ° C angegeben wird. Andernfalls sollte man gelegentlich die Speicherdaten aktualisieren (neu schreiben), um die volle Ladung auf den Floating-Gates wiederherzustellen. Dies funktioniert für Laser-getrimmte EEPROMs. Da die Art der Verkleidung in der Regel nicht in den Produktdatenblättern angegeben ist, kann es erforderlich sein, den Verkäufer für Details zu kontaktieren.

Chemische Methoden

Im medizinischen Bereich gibt es eine große Anzahl chemischer Methoden zur Sterilisation. In diesem Abschnitt werden einige der gängigen Methoden erläutert. Chemische Methoden können mit physikalischen Methoden kombiniert werden.

Ethylenoxid (ETO) Sterilisation
Ethylenoxid (ETO) wurde erstmals 1859 berichtet und gewann in den frühen 1900er Jahren industrielle Bedeutung. ETO-Sterilisation zur Konservierung von Gewürzen wurde 1938 patentiert. Die Verwendung von ETO entwickelte sich, als es nur wenige Alternativen zur Sterilisation von wärme- und feuchtigkeitsempfindlichen medizinischen Geräten gab.

Wie es funktioniert2

Der ETO-Sterilisator ist ein Behälter, der zuerst mit den zu sterilisierenden Objekten gefüllt wird. Der grundlegende ETO-Sterilisationszyklus besteht aus fünf Stufen (Evakuierung mit Befeuchtung, Gaseinleitung, Belichtung, Evakuierung und Luftwäsche) und dauert ungefähr 2 1/2 Stunden, ohne Belüftungszeit (Entfernung von ETO). Mechanische Belüftung dauert 8 bis 12 Stunden bei +50 bis +60 °C; passive Belüftung ist ebenfalls möglich, kann aber 7 Tage dauern. Nach Abschluss der Belüftung werden die sterilisierten Gegenstände entnommen (Stapelverarbeitung). ETO reagiert chemisch mit Aminosäuren, Proteinen und DNA, um die mikrobielle Vermehrung zu verhindern.3

Die ETO-Sterilisation eignet sich für Objekte, die die für die Dampfsterilisation (Autoklav) erforderliche hohe Temperatur und Feuchtigkeit nicht aushalten können. Aufgrund seiner niedrigen Temperaturbedingungen von +30 ° bis +60 °C eignet sich das ETO-Sterilisationsverfahren gut für medizinische Geräte mit eingebetteter Elektronik. Für eingebettete Batterien ist das Vakuum jedoch möglicherweise nicht akzeptabel. Darüber hinaus hat die Methode einen Nachteil: ETO ist ein leicht entzündbares Gas auf Erdölbasis und krebserregend.

Chlordioxid (CD) Gassterilisation
Chlordioxid (CD) wurde 1811 oder 1814 entdeckt (beide Jahre sind aufgeführt) und fand breite kommerzielle Verwendung als Bleichmittel in der Papierindustrie. 1988 registrierte die EPA Chlordioxid als Sterilisationsmittel. Dies öffnete die Tür für Anwendungen im medizinischen Bereich.

Wie es funktioniert4, 5

Der CD-Sterilisator ist ein Behälter, der zuerst mit den zu sterilisierenden Objekten gefüllt wird. Der grundlegende CD-Sterilisationszyklus besteht aus fünf Stufen (Vorkonditionierung mit Befeuchtung, Konditionierung, Erzeugung und Abgabe von Chlordioxidgas, Belichtung und Belüftung) und dauert ungefähr 2 1/2 Stunden, einschließlich der Belüftungszeit (Entfernung der CD). Nach Abschluss der Belüftung werden die sterilisierten Gegenstände entnommen (Stapelverarbeitung). Chlordioxid (ClO2) wirkt als Oxidationsmittel und reagiert mit mehreren Zellbestandteilen, einschließlich der Zellmembran von Mikroben. Indem CD ihnen Elektronen „stiehlt“ (Oxidation), bricht sie ihre molekularen Bindungen auf, was zum Tod des Organismus durch Aufbrechen der Zelle führt. Da CD die Proteine verändert, die an der Struktur von Mikroorganismen beteiligt sind, wird die enzymatische Funktion gestört, was zu einer sehr schnellen Abtötung von Bakterien führt. Die Wirksamkeit von CD ist auf den gleichzeitigen oxidativen Angriff auf viele Proteine zurückzuführen, wodurch verhindert wird, dass die Zellen zu einer resistenten Form mutieren. Aufgrund der geringeren Reaktivität von Chlordioxid bleibt seine antimikrobielle Wirkung in Gegenwart organischer Substanz länger erhalten.

Probleme

Die CD-Sterilisation eignet sich für Objekte, die die für die Dampfsterilisation (Autoklav) erforderliche hohe Temperatur und Feuchtigkeit nicht aushalten können. Aufgrund der niedrigen Temperatur von +15° bis +40°C eignet sich das CD-Sterilisationsverfahren gut für medizinische Geräte mit eingebetteter Elektronik. CD-Gas ist in den für diese Methode verwendeten Konzentrationen nicht brennbar und nicht krebserregend. Es sind keine hohen Konzentrationen erforderlich, um sporizide Wirkungen zu erzielen.

Wasserstoffperoxid-Sterilisation
Wasserstoffperoxid wurde erstmals 1818 isoliert. Es hat eine lange Anwendungsgeschichte in der pharmazeutischen Industrie und ist eine beliebte Alternative zu Ethylenoxid (ETO). Wasserstoffperoxid kann auf zwei Arten verwendet werden: a) verdampfte Wasserstoffperoxidsterilisation und b) Wasserstoffperoxidplasmasterilisation.

Verdampftes Wasserstoffperoxid (VHP®) Sterilisation

Wie es funktioniert6, 7
Der VHP-Sterilisator wird zuerst mit den zu sterilisierenden Objekten gefüllt. Der grundlegende VHP-Sterilisationszyklus besteht aus drei Stufen (Konditionierung einschließlich Vakuumerzeugung, H2O2-Injektion und Belüftung) und dauert ungefähr 1 1/2 Stunden, einschließlich der Belüftungszeit (Entfernung von H2O2). Nach Abschluss der Belüftung werden die sterilisierten Gegenstände entnommen (Stapelverarbeitung). Der genaue Wirkungsmechanismus von HPV muss noch vollständig verstanden werden und variiert wahrscheinlich mit Mikroorganismen. Nichtsdestotrotz erzeugt H2O2 oxidativen Stress, indem es reaktive Sauerstoffspezies wie Hydroxylradikale produziert, die mehrere molekulare Ziele angreifen, einschließlich Nukleinsäuren, Enzyme, Zellwandproteine und Lipide.

Probleme

Die VHP-Sterilisation eignet sich für Objekte, die die für die Dampfsterilisation (Autoklav) erforderliche hohe Temperatur und Feuchtigkeit nicht aushalten können. Durch den niedrigen Temperaturbetrieb von +25° bis +50°C eignet sich das VHP-Sterilisationsverfahren gut für medizinische Geräte mit eingebetteter Elektronik. Das Vakuum kann jedoch für eingebettete Batterien nicht akzeptabel sein. Die Penetrationsfähigkeit von VHP ist geringer als die von ETO.

Wasserstoffperoxid Plasma Sterilisation

Wie Es Funktioniert1
Diese methode kombiniert chemie mit physik. Der Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisator wird zunächst mit den zu sterilisierenden Gegenständen gefüllt. Der grundlegende Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisationszyklus besteht aus vier Stufen (Vakuumerzeugung, H2O2-Injektion, Diffusion und Plasmaentladung) und dauert ungefähr 1 bis 3 Stunden. Belüftung ist nicht erforderlich. Nach Abschluss des Zyklus werden die sterilisierten Gegenstände entnommen (Stapelverarbeitung). Die Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisation inaktiviert Mikroorganismen hauptsächlich durch die kombinierte Verwendung von Wasserstoffperoxidgas und die Erzeugung freier Radikale (Hydroxyl- und Hydroproxylradikale) während der Plasmaphase des Zyklus. Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisation darf nicht mit Systemen verwechselt werden, die Ultraschall verwenden, um einen Nebel zu erzeugen, und daher keine elektrische Plasmaentladung beinhalten.

Probleme

Die Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisation eignet sich für Objekte, die die für die Dampfsterilisation (Autoklav) erforderliche hohe Temperatur und Feuchtigkeit nicht aushalten können. Das erforderliche Vakuum ist nicht so tief wie bei der VHP-Sterilisation. Obwohl die niedrige Prozesstemperatur von + 40 ° bis + 65 ° C ansprechend ist, ist die HF-Energie von 13,56 MHz im Bereich von 200 W bis 400 W während der Plasmaentladungsphase für eingebettete Elektronik problematisch. Wasserstoffperoxidplasmasterilisation sollte nicht für Gegenstände verwendet werden, die Halbleiter enthalten.

Strahlungsmethoden

Gammastrahlensterilisation8, 13
Gammastrahlung wurde 1900 bei der Untersuchung von Radiumstrahlung entdeckt. Später wurden andere Quellen entdeckt, wie Technetium-99m und Kobalt-60. Die industrielle Nutzung von Gammastrahlung begann in den 1950er Jahren mit Kobalt-60 als Strahlungsquelle. Kobalt-60 kommt in der Natur nicht vor, es wird künstlich in einem Reaktor hergestellt. Die Halbwertszeit von Cobalt-60 beträgt 5,2714 Jahre.

Wie es funktioniert9

Die zu sterilisierenden Objekte werden auf ein Förderband gelegt, das sie in die Nähe einer starken Gammastrahlungsquelle wie Cobalt-60 transportiert. Nach dem Anhalten im Strahlungsfeld, damit das Objekt die erforderliche Dosierung erhält, fährt der Förderer weiter und belichtet das nächste Objekt. Anstelle der Stop-and-Go-Aktion könnte sich der Förderer kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die die richtige Dosierung gewährleistet (kontinuierliche Verarbeitung). Die ionisierende Strahlung bewirkt Anregungen, Ionisationen und, wo Wasser vorhanden ist, Radikalbildung. Freie Radikale sind starke oxidierende (OH, HO2) und reduzierende (H) Mittel, die essentielle Moleküle in lebenden Zellen schädigen können. Somit bewirken alle drei Prozesse den Zerfall essentieller Zellbestandteile wie Enzyme und der DNA. Dies führt zum Zelltod. Die biologisch schädlichsten Formen der Gammastrahlung treten im Gammastrahlenfenster zwischen 3 MeV und 10 MeV auf. Cobalt-60 emittiert Gammastrahlung im Bereich von 1,17 MeV und 1,33 MeV, etwas unterhalb des effektivsten Bereichs.

Issues10

Gammastrahlung dringt tief in die bestrahlten Objekte ein. Es ist schneller als physikalische und chemische Methoden; Es findet bei erhöhter Raumtemperatur und bei normalem Atmosphärendruck statt. Der Strahler ist ein großes Objekt mit 2 m dicken Betonwänden, um die Umgebung vor der Strahlung zu schützen. Aufgrund des radioaktiven Zerfalls muss die Expositionszeit regelmäßig angepasst werden, um eine konstante Strahlendosis aufrechtzuerhalten. Gammastrahlung beeinflusst nicht nur lebende Zellen, sondern auch Polymere und Halbleiter. Die Wirkung auf die Elektronik hängt von der Dosis und der Dosierungsrate ab. Im Extremfall verschlechtert eine Gesamtionisation von mehr als 5000 RAD in Silizium, die über Sekunden bis Minuten abgegeben wird, Halbleitermaterialien für lange Zeiträume. In der Praxis sterilisiert die medizinische Industrie beispielsweise Instrumente und Produkte auf Ionisationsniveaus im Bereich von 250 bis 500 Rads, wo speziell konstruierte Halbleiterbauelemente zuverlässig arbeiten können. Daher kann unter den richtigen Bedingungen die Gammastrahlensterilisation für Objekte verwendet werden, die kompatibel gestaltete Halbleiterbauelemente enthalten.

Elektronenstrahlsterilisation11
Da Elektronenstrahlen von der Kathode einer Elektronenröhre (auch als Vakuumröhre bezeichnet) emittiert wurden, wurden sie ursprünglich als Kathodenstrahlen bezeichnet. Die Kathodenstrahlröhre (CRT), die einen Elektronenstrahl erzeugt und ablenkt, um einen fluoreszierenden Bildschirm abzutasten, wurde 1897 erfunden. Mit der Einführung des Fernsehens wurde es zu einem Haushaltsgegenstand. In CRTs, die für das Fernsehen verwendet werden, werden die Elektronen des Strahls mit einer Anodenspannung von 10 KV (Schwarzweiß) oder 25 KV (Farbe) beschleunigt und befinden sich beim Auftreffen auf den Bildschirm wieder in einem metallischen Leiter. Ein Elektronenstrahlgenerator ähnelt einer CRT. Die Beschleunigungsspannung kann jedoch bis zu 1000-mal höher sein und der Bildschirm wird durch ein Fenster aus Titanfolie ersetzt, das Elektronen das Vakuum verlassen lässt, aber Gasmoleküle aus der Atmosphäre fernhält. Die Verwendung von Elektronenstrahlen zur Sterilisation begann 1956, als die Medizintechnikindustrie die erste kommerzielle Anwendung entwickelte.

Wie es funktioniert9, 12

Die zu sterilisierenden Objekte werden auf ein Förderband gelegt, das sie langsam an dem Fenster vorbei transportiert, an dem der Elektronenstrahl den Generator verlässt. Die Fördergeschwindigkeit wird gewählt, um die richtige Dosierung zu gewährleisten (kontinuierliche Verarbeitung). Um die für die Sterilisation erforderliche Penetration zu erreichen, sind Energieniveaus in der Größenordnung von 5 MeV bis 10 MeV erforderlich. Elektronenstrahlung bildet freie Radikale, die mit Makromolekülen reagieren und so die zelluläre DNA schädigen, was zum Zelltod führt. Diese Methode zerstört alle Arten von Krankheitserregern, einschließlich Viren, Pilzen, Bakterien, Parasiten, Sporen und Schimmelpilzen.

Probleme

Elektronenstrahlung dringt nicht so tief ein wie Gammastrahlung. Es ist jedoch schneller als die Gammastrahlensterilisation, erzeugt keinen nuklearen Abfall und findet bei erhöhter Raumtemperatur bei normalem Atmosphärendruck statt. Elektronenstrahlung hat eine bessere Materialverträglichkeit als Gammastrahlung. Wenn der Elektronenstrahl auf elektronische Komponenten gerichtet wird, kann er Ladungsaufbau (ESD) verursachen, der wiederum Schäden verursachen kann. Daher sollte die Elektronenstrahlsterilisation nur für Objekte verwendet werden, die Halbleiter enthalten, die so ausgelegt sind, dass sie sowohl das Elektronenstrahlstrahlungsniveau als auch den ESD-Aufbau spezifisch tolerieren.

Fazit

Es gibt physikalische, chemische und Strahlungsmethoden, um Objekte für medizinische Anwendungen zu sterilisieren. Jede Sterilisationsmethode hat ihre besonderen Eigenschaften, die möglicherweise mit Halbleiterbauelementen kompatibel sind oder nicht. Bei der Auswahl einer bestimmten Methode sollte man die möglichen Nebenwirkungen berücksichtigen, insbesondere wenn es um Elektronik geht.

Tabelle 1 fasst die in diesem Artikel diskutierten Methoden und ihre Kompatibilität mit eingebetteter Elektronik zusammen. Chlordioxid hat keine bekannten nachteiligen Auswirkungen auf elektronische Komponenten und ist daher die beste Wahl für die Kompatibilität mit elektronischen Komponenten. Ethylenoxid und verdampftes Wasserstoffperoxid sind auch ausgezeichnete Sterilisationsmethoden für elektronische medizinische Geräte, die keine Batterien enthalten. Das Epoxidverpackungsmaterial von ICs ist keinen chemischen Sterilisationsmitteln ausgesetzt und kann daher nicht beeinflusst werden. Wenn Bestrahlungssicherheit erforderlich ist, müssen speziell entwickelte und kompatible ICs verwendet werden.

Tabelle 1. Sterilisationsmethoden und ihre Kompatibilität

Sterilisationsmethode Problematische Parameter Kompatibilität
Autoklavdampf Hohe Temperatur, Feuchtigkeit/td> Kann Floating-Gate-Speicherzellen (EEPROM) beeinflussen; reduziert die Lebensdauer eingebetteter Batterien (falls vorhanden).
Ethylenoxid Entflammbarkeit, Karzinogen Das Vakuum kann eingebettete Batterien beeinträchtigen.
Chlordioxid Keine Es gibt keine nachteiligen Auswirkungen auf Elektronik oder Batterien.
Verdampftes Wasserstoffperoxid Vakuum Das Vakuum kann eingebettete Batterien beeinträchtigen.
Wasserstoffperoxidplasma Vakuum, Plasmaentladung Das Vakuum kann eingebettete Batterien beeinträchtigen; Die zur Erzeugung des Plasmas erforderliche HF-Energie ist möglicherweise nicht mit Halbleitern kompatibel.
Gammastrahlung Strahlung, Atommüll Die Strahlung kann Halbleiter beschädigen, die nicht für die Exposition ausgelegt sind.
Elektronenstrahl Strahlung Die Strahlung kann Halbleiter beschädigen, die nicht für die Belichtung ausgelegt sind.

Haftungsausschluss

Die Forschung für diese Application Note wurde im Juni 2010 durchgeführt und stützte sich ausschließlich auf Material, das der Öffentlichkeit zur Verfügung steht (siehe Referenzen). Seitdem kann es zu technologischen Verbesserungen bei Methoden und Geräten sowie zu Gesetzesänderungen gekommen sein. All dies könnte die Richtigkeit der obigen Beschreibungen und Schlussfolgerungen beeinträchtigen. Bevor Sie Medizinprodukte, die Elektronik enthalten, einer Sterilisationsmethode aussetzen, einschließlich derjenigen, die hier nicht erwähnt werden, wenden Sie sich an den Hersteller des Medizinprodukts, um zu überprüfen, ob das Medizinprodukt durch das Sterilisationsgerät, das Sie verwenden möchten, beschädigt wird.

Diese Application Note unterliegt den rechtlichen Nutzungsbedingungen von Maxim. Erfahren Sie mehr über die Rechtspolitik von Maxim.Rutala, W.A., Weber, D.J. und Healthcare Infection Control Practices Advisory Committee (HIPAC). 2008. Leitfaden zur Desinfektion und Sterilisation in Gesundheitseinrichtungen. www.cdc.gov/hvpac/pdf/Richtlinien /Desinfektion_Nov_2008.PDF. Diskussion der Hitzesterilisation im alten Rom bei Wikipedia. Sterilisation (Mikrobiologie). http://en.wikipedia.org/wiki/Sterilization_%28microbiology%29.

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