灭菌方法及其对含电子产品的医疗设备的影响

虽然灭菌方法和设备有相当大的文学，但很少有关于灭菌对电子产品的影响的写作。本文比较了流行的灭菌方法，并讨论了含有电子器件的物体的适用性。

介绍
由于半导体和包装技术的进步，今天的集成电路（ICS）被发现在加宽设备，包括医疗设备。对医疗应用的特殊挑战是需要保持无菌免受有害污染物，如真菌，细菌，病毒和孢子形式。虽然灭菌方法和设备有相当大的文学，但很少有关于灭菌对电子产品的影响的写作。本申请说明比较了流行的灭菌方法，并讨论了含有电子器件的物体的适用性。

物理方法
有几种物理灭菌方法，其中最有效的是在一个称为高压灭菌器的装置中结合热、湿和压力。

高压蒸汽蒸汽灭菌
已知医疗仪器的热灭菌已在古罗马使用。水分的存在显着加速热渗透（蒸汽灭菌）。在1879年发明的高压釜将热量和水分与压力升高结合。

它是如何工作的¹
高压釜是类似于压力锅的容器。它充满了待灭菌的物体然后密封。接下来，在高压下强制高温蒸汽，从而使空气置换。湿热通过酶和结构蛋白的不可逆凝固和变性破坏微生物。实现这一点的时间和温度依赖于压力和灭活的微生物类型。经过必要的时间通过，释放蒸汽并灭菌物体被移除。整个循环可能需要15至60分钟（批处理）。

问题
高压灭菌剂适用于可容忍湿度，高压（高于环境温度的大气压）的物体，高温（+ 121℃至+ 148℃）。典型的例子是手术器械。半导体器件通常可以处理高达+ 125°C。然而，将嵌入式电池暴露于高温显着降低了它们的寿命。使用浮栅技术（例如EEPROM）的存储器设备对高温敏感。但是，如果数据保留指定为+ 125°C的数据保留为10年，则不应预期数据完整性的丢失。否则，应该偶尔刷新（重写）存储器数据以恢复浮动栅极上的完全充电。这适用于激光修剪的EEPROM。由于修剪类型通常未在产品数据表中指定，因此可能需要联系供应商了解详细信息。

化学方法
有大量的医学领域灭菌化学方法。本节讨论了一些流行的方法。化学方法可以与物理方法组合。

环氧乙烷（ETO）灭菌
第1859年首次报道环氧乙烷（EtO），并在20世纪初获得了工业重要性。在1938年获得了保存香料的Eto灭菌。当存在用于灭菌的灭菌和水分敏感的医疗装置时，使用EtO演变的使用。

它是如何工作的²
EtO灭菌器是首先填充物体待灭菌的容器。基本的EtO灭菌循环由五个阶段组成（用加湿，气体引入，暴露，疏散和空气洗涤疏散，大约需要2 1/2小时，不包括曝气时间（去除Eto）。机械通气在+50至+ 60°C时需要8至12小时;被动曝气也是可能的，但可能需要7天。曝气完成后，将消毒过的物体移走(分批处理)。Eto在化学上与氨基酸，蛋白质和DNA进行反应，以防止微生物再生

问题
ETO灭菌非常适用于不能维持蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和水分的物体。由于其低+ 30°至+ 60°C温度条件，Eto灭菌过程非常适合具有嵌入式电子产品的医疗器械。然而，嵌入式电池可能无法接受真空。此外，该方法的缺点：EtO是高度易燃的石油基的气体和致癌物质。

二氧化氯（CD）气体灭菌
二氧化氯（CD）于1811年或1814年（上市两年）发现，并且它在造纸工业中获得了广泛的商业用途作为漂白剂。1988年，EPA注册了二氧化氯作为灭菌剂。这为医疗领域的应用打开了门。

它是如何工作的^4,5
CD消毒器是一个容器，首先装满要消毒的对象。基本的CD灭菌循环包括五个阶段(加湿预处理、调节、产生和输送二氧化氯气体、暴露和曝气)，包括曝气时间(去除CD)大约需要2个半小时。曝气完成后，将消毒过的物体移走(分批处理)。二氧化氯(ClO2)作为氧化剂，与包括微生物细胞膜在内的多种细胞成分发生反应。通过从它们那里“窃取”电子(氧化)，CD破坏了它们的分子键，导致细胞分裂导致有机体死亡。由于乳糜泻改变了微生物结构中的蛋白质，酶的功能被破坏，导致快速杀死细菌。乳糜泻的效力可归因于同时对许多蛋白质的氧化攻击，从而防止细胞突变为抵抗形式。此外，由于二氧化氯的反应活性较低，它的抗菌作用在有机物存在的情况下保持的时间更长。

问题
CD灭菌适用于不能承受蒸汽(高压灭菌器)灭菌所必需的高温和潮湿的物体。由于低温(+15°至+40°C)， CD灭菌过程非常适合嵌入式电子设备。在这种方法中使用的浓度下，镉气体是不可燃的，而且它不会致癌。它不需要高浓度就能达到杀孢子的效果。

过氧化氢灭菌
过氧化氢在1818年首先分离。它在制药工业中具有长期使用历史，是氧化环氧乙烷（ETO）的普遍替代品。过氧化氢可以两种方式使用：a）蒸发的过氧化氢灭菌，B）过氧化氢等离子体灭菌。

蒸发过氧化氢（VHP®）灭菌

它是如何工作的^6、7
VHP灭菌器首先填充有灭菌物体。基本的VHP灭菌循环由三个阶段组成（包括真空产生，H 2 O 2注射和通气），并且需要约1 1/2小时，包括曝气时间（除去H2O2）。曝气完成后，将消毒过的物体移走(分批处理)。HPV的确切作用机制仍然完全理解，并且可能因微生物而变化。尽管如此，H 2 O 2通过产生反应性氧物质（例如羟基）而产生氧化应激，所述羟基自由基攻击多个分子靶标，包括核酸，酶，细胞壁蛋白和脂质。

问题
VHP灭菌适用于不能维持蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和水分的物体。由于其低+ 25°至+ 50°C的温度操作，VHP灭菌过程非常适合具有嵌入式电子产品的医疗器械。然而，真空可能不会接受嵌入式电池。VHP渗透功能小于ETO的功能。

过氧化氢等离子体灭菌

它是如何工作的¹
这种方法把化学和物理结合起来。过氧化氢等离子体消毒器首先装入要灭菌的物体。基本的双氧水等离子体灭菌循环包括四个阶段(真空产生、H2O2注入、扩散和等离子体放电)，大约需要1 - 3小时。无需曝气。循环完成后，将灭菌物品移走(批处理)。过氧化氢等离子体灭菌主要通过过氧化氢气体的联合使用和循环等离子体阶段产生自由基(羟基和羟丙基自由基)来灭活微生物。过氧化氢等离子体灭菌不能与使用超声波产生雾的系统相混淆，因此，不涉及等离子体放电。

问题
过氧化氢等离子体灭菌适用于不能维持蒸汽（高压釜）灭菌所需的高温和水分的物体。所需的真空与VHP灭菌不那么深。虽然低+ 40°至+ 65℃的过程温度吸引，但在等离子体放电阶段期间200w至400w的13.56MHz的RF能量对于嵌入式电子有问题。过氧化氢等离子体灭菌不应用于含有半导体的物体。

辐射方法

伽马射线灭菌^8、13
伽玛射线是在1900年研究镭辐射时发现的。后来又发现了其他来源，如锝-99m和钴-60。伽马射线的工业应用始于20世纪50年代，当时钴60作为辐射源。钴60在自然界中不存在;它是在反应堆中人工生产的。钴60的半衰期为5.2714年。

它是如何工作的^9.
将要灭菌的物体放在输送机上，该输送机将它们传送到强伽马河辐射源的附近，例如钴-60。在辐射场停止之后，使物体接收所需的剂量，输送机接通并暴露下一个物体。输送机代替停止和去除动作，输送机可以以确保适当的剂量（连续处理）的速度连续移动。电离辐射导致激发，电离，存在水，自由基形成。自由基是强大的氧化（OH，HO2）和还原（H）剂，能够损害活细胞中的必需分子。因此，所有三种方法都会导致诸如酶和DNA的基本细胞成分的崩解。这导致细胞死亡。伽马辐射最多的生物损伤形式发生在伽马射线窗口，3mev和10mev之间。Cobalt-60在1.17MEV和1.33MEV水平下发射伽马辐射，略低于最有效的范围。

问题^10.
伽马射线深入到受辐照的物体内部。它比物理和化学方法快;它发生在较高的室温和正常的大气压下。辐射器是一个大物体，有2米厚的混凝土墙，以保护环境免受辐射。由于放射性衰变，照射时间需要定期调整，以保持恒定的辐射剂量。除了影响活细胞外，伽马射线还影响聚合物和半导体。对电子学的影响取决于剂量和剂量率。在极端情况下，在数秒到几分钟的时间内，硅的总电离量大于5000拉德，会使半导体材料长时间降解。在实践中，例如，医疗工业在250至500拉德的电离水平范围内对仪器和产品进行消毒，专门设计的半导体器件可以可靠地工作。因此，在适当的条件下，伽马射线灭菌可用于含有兼容设计的半导体器件的物体。

电子束灭菌^11.
因为它们从电子管的阴极发射（也称为真空管），所以电子束最初称为阴极射线。阴极射线管（CRT），其产生和偏转电子束以扫描荧光屏，于1897年发明。它成为电视引入的家庭项目。在用于电视的CRT中，梁的电子加速了10kV（黑色和白色）或25kV（颜色）的阳极电压，并且当它们撞到屏幕时返回金属导体。电子束发电机类似于CRT。然而，加速电压可以高达1000倍，屏幕由由钛箔制成的窗口代替，这使电子离开真空，但是从大气中保持气体分子。当医疗器械行业开发第一次商业应用时，1956年使用电子束进行灭菌。

它是如何工作的^9,12
将要灭菌的物体放在输送机上，该输送机将它们慢慢运转过电子束离开发电机的窗口。选择输送速度以确保适当的剂量（连续处理）。达到灭菌所需的渗透需要5mev到10mev的能量水平。电子束辐射形成与大分子反应的自由基，从而损害细胞DNA，导致细胞死亡。该方法破坏了所有类型的病原体，包括病毒，真菌，细菌，寄生虫，孢子和模具。

问题

电子束辐射穿透的深度不如伽马辐射。然而，它比伽马射线杀菌更快，不会产生核废料，并且在常温常压下进行。电子束辐射比伽玛辐射具有更好的材料相容性。当电子束射向电子元件时，会导致电荷积聚(ESD)，进而造成损害。因此，电子束灭菌只能用于含有半导体的物体，这些半导体的设计是专门容忍电子束辐射水平和ESD积聚。

结论
有物理，化学和辐射方法，用于对医疗应用进行消毒物体。每个灭菌方法具有其特殊特性，其可以与半导体器件兼容或不兼容。选择特定方法时，应该考虑潜在的副作用，尤其是当涉及电子器件时。

表1总结了本文讨论的方法及其与嵌入式电子产品的兼容性。二氧化氯对电子元件没有已知的不利影响，因此是与电子元件相容的最佳整体选择。环氧乙烷和蒸发的过氧化氢也是不包括电池的电子医疗器械的优异灭菌方法。IC的环氧包装材料不暴露于化学灭菌剂，因此不能受到影响。如果需要辐照免疫力，则必须使用专门设计和兼容的IC。

表格1：灭菌方法及其兼容性

灭菌方法	有问题的参数	兼容性
高压釜蒸汽	高温，湿度	可以影响浮栅存储器单元(EEPROM);减少内置电池的使用寿命(如果有的话)。
环氧乙烷	可燃性,致癌物质	真空会影响嵌入式电池。
二氧化氯	没有任何	对电子产品或电池无不良影响。
汽化过氧化氢	真空	真空会影响嵌入式电池。
过氧化氢等离子体	真空，等离子体放电	真空会影响嵌入式电池;产生等离子体所需的RF能量可能与半导体不相容。
伽马射线	辐射，核废料	辐射可以损坏不设计用于暴露的半导体。
电子束	辐射	辐射可以损坏不设计用于暴露的半导体。

免责声明
本申请笔记的研究于2010年6月进行，仅依靠公众可用的材料（见参考文献）。从那时起，可能已经有技术改进以及立法的变化。这一切都可能影响上面的描述和结论的正确性。因此，在将包含电子器件的医疗设备暴露于任何灭菌方法之前，包括此处未提及的方法，请与医疗设备供应商联系，以验证医疗设备是否会受到您打算使用的灭菌设备的损害。

参考文献

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这篇文章的类似版本出现在《EE时代》杂志上。