2024有源医疗器械创新论坛Medtec浅析影响医疗器械产品环氧乙烷灭菌效果的因素报告

一、引言

环氧乙烷灭菌在医疗器械灭菌领域具有不可替代的地位，尤其对于那些无法承受高温高压环境的精密器械以及一次性使用医疗器械而言，是确保其无菌性的关键工艺。然而，这一灭菌过程受到多种复杂因素的交互影响，任何一个环节的波动都可能导致灭菌效果偏离预期。因此，2024有源医疗器械创新论坛Medtec认为，深入探究影响医疗器械产品环氧乙烷灭菌效果的因素，并全面理解各因素间的内在联系与相互作用机制，对于保障医疗器械的质量安全、提升医疗服务水平具有极为重要的意义。

二、影响环氧乙烷灭菌效果的因素

（一）温度

1. 温度范围与最佳值：在环氧乙烷灭菌过程中，温度的常规操作极限处于 40℃至 60℃的区间范围之内。经过大量的实践验证与科学研究，一般认为 50±3℃是较为常用且能够取得良好灭菌效果的适宜温度点。当温度逐步升高并达到足以使环氧乙烷药物的杀菌活性充分激发的特定阈值时，其杀菌作用能够达到相对峰值状态。但值得注意的是，一旦温度超越了这一最佳作用点继续攀升，环氧乙烷的杀菌效能并不会随着温度的升高而进一步增强，反而可能会引发一些负面效应，如导致医疗器械的某些材料性能发生劣化等。

2. 与其他因素关联：

– 产品方面：不同材质的医疗器械在热耐受能力和热穿透性方面表现出显著的差异。以塑料材质为例，某些类型的塑料在高温环境下可能会发生软化、变形甚至熔化等现象，这不仅会直接影响医疗器械的物理结构完整性，还可能改变其内部的微观孔隙结构，进而阻碍环氧乙烷气体的有效穿透与均匀分布，最终削弱灭菌效果。

而金属材质虽然具有较好的热传导性能，能够在较短时间内实现热量的快速传递，但在高温持续作用下，金属器械的局部区域可能会由于热量积聚过快而出现过热现象，这可能会对器械的精密加工表面造成损伤，影响其尺寸精度和表面粗糙度，从而降低医疗器械的使用性能和可靠性。因此，在确定具体的灭菌温度时，必须对医疗器械的材料组成进行详细分析，充分考虑其热学特性，以确保选择的温度既能满足灭菌要求，又不会对器械质量产生不良影响。

– 装载方式：装载量的大小以及物品在灭菌器内的摆放方式对灭菌温度的均匀性和有效性有着至关重要的影响。为了确保热量能够在灭菌器内部空间实现均匀分布，一般建议装载量应控制在小于灭菌器容积的 80%。同时，装载物品在放置过程中应严格避免与灭菌器的柜壁发生直接接触，并且物品之间应保持一定的距离间隔，以形成良好的气流通道。

例如，在装载手术器械时，如果将器械随意堆积在一起，可能会导致热量在器械堆内部难以有效传递，形成局部高温或低温区域，使得部分器械无法达到预期的灭菌温度条件。此外，不同的装载方式，如分层摆放、横竖排列以及不同器械组合的搭配等，都会改变灭菌器内的气流循环路径和速度，进而影响热量传递的效率和均匀性。因此，合理规划装载方式并优化物品摆放布局是保障灭菌温度均匀性的重要环节。

– 包装因素：包装材料的种类、大小、厚度以及热穿透性等特性是影响灭菌温度选择的关键因素之一。例如，纸质包装材料与塑料包装材料在热传导速度方面存在明显差异，纸质材料的热传导相对较慢，而塑料材料的热传导速度则相对较快。

在灭菌过程中，如果包装材料的热传导速度过慢，可能会导致热量在包装外部迅速积聚，而内部器械却无法及时获得足够的热量，从而影响环氧乙烷与微生物的反应速率和灭菌效果。此外，包装的大小和厚度也会对热穿透性产生显著影响。较大尺寸或较厚的包装会增加热量传递的路径长度和阻力，使得热量难以充分穿透包装到达内部器械表面。

同时，包装的密封方式和密封程度同样不容忽视，良好的密封能够减少热量在包装内部的散失，有助于维持相对稳定的温度环境，但如果密封过度，可能会在包装内部形成局部高压环境，影响环氧乙烷气体的扩散和渗透，进而对灭菌效果产生不利影响。

（二）压力

1. 预真空度的关键作用：预真空度在环氧乙烷灭菌过程中扮演着极为关键的角色，它直接决定了灭菌器内残留空气的含量水平。残留空气的存在会对灭菌过程产生多方面的干扰。

首先，残留空气会占据一定的空间体积，阻碍环氧乙烷气体向被灭菌物品内部的有效扩散与渗透，使得部分区域无法充分接触到环氧乙烷，从而导致灭菌不彻底。其次，残留空气还会影响热量在灭菌器内的均匀传递，因为空气是一种热传导性能相对较差的介质，其存在会形成局部的隔热层，导致热量分布不均匀，进而影响灭菌效果的一致性。此外，残留空气与湿气、环氧乙烷气体之间的相互作用也会改变灭菌环境的化学组成和物理性质，进一步影响灭菌反应的进行。

2. 综合考量因素：
– 包装与产品耐受度：在设定预真空度时，必须充分评估包装材料和医疗器械产品本身对负压环境的耐受能力。不同的包装材料和医疗器械在承受负压时表现出不同的特性。例如，一些质地较为脆弱的玻璃材质医疗器械，如玻璃注射器、玻璃培养皿等，在过高的负压作用下容易发生破裂现象，导致器械损坏和灭菌失败。

同样，某些质地柔软的橡胶包装材料，如橡胶塞、橡胶管等，在负压环境下可能会发生变形、塌陷甚至破损，从而破坏包装的完整性，使内部器械暴露于非无菌环境中，增加污染风险。因此，在进行灭菌操作前，需要对包装和产品进行详细的负压耐受性测试，以确定合适的预真空度范围，确保在实现有效灭菌的同时，不会对包装和产品造成损坏。

– 灭菌方式抉择：在环氧乙烷灭菌过程中，可选择负压灭菌或正压灭菌两种方式，这两种方式在不同的产品和包装组合条件下具有各自的优缺点。对于结构复杂、内部管路较长的医疗器械产品，如一些心血管介入器械、内窥镜等，负压灭菌方式通常能够展现出更好的效果。这是因为在负压环境下，灭菌器内部的压力低于外部大气压，能够形成较强的压力差，从而驱动环氧乙烷气体更深入地渗透到器械的内部管路和复杂结构中，确保各个部位都能充分接触到环氧乙烷气体，提高灭菌的彻底性。然而，负压灭菌方式对产品和包装的负压承受能力要求较高，需要在操作过程中谨慎控制压力参数，以避免造成损坏。

相反，正压灭菌方式则是在灭菌器内部施加高于外部大气压的压力，这种方式相对较为温和，对于一些有特殊结构或表面涂层易受压力影响的器械，如某些带有精密电子元件或特殊生物涂层的医疗器械，正压灭菌可能是更为合适的选择。尽管正压灭菌在气体渗透效果方面可能相对弱于负压灭菌，但它能够在一定程度上减少对器械和包装的压力损伤风险。因此，在实际应用中，需要根据具体的产品特点和包装形式，综合权衡两种灭菌方式的利弊，选择最适宜的灭菌方式，并确定相应的压力参数。

– 产品结构特点：医疗器械产品的结构复杂程度对压力的设置有着重要影响。当产品具有复杂的内部结构，如存在细长的管路、微小的孔隙或密闭的腔室时，环氧乙烷气体在压力作用下的扩散路径和速度会受到显著影响。

例如，在对具有多分支管路的医疗器械进行灭菌时，如果压力设置不当，可能会导致环氧乙烷气体在某些管路分支处发生滞留或流动不畅的现象，使得这些部位无法得到充分的灭菌处理。

此外，产品内部的孔隙大小、形状以及连通性等因素也会影响压力在其中的传递和分布情况。对于多孔结构的器械，如某些骨科植入物或过滤装置，气体在孔隙中的扩散过程较为复杂，需要精确控制压力，以确保环氧乙烷气体能够均匀地渗透到各个孔隙内部，实现全面灭菌。

同时，产品的整体形状和尺寸也会对压力分布产生影响，较大尺寸或不规则形状的器械可能会在灭菌器内形成局部压力不均匀的区域，需要通过合理的装载方式和压力调节手段来加以改善。因此，深入了解产品的结构特点，是优化压力设置、提高灭菌效果的重要前提。

（三）湿度

1. 湿度对灭菌的重要性：
– 灭菌物品的含水量、微生物本身的干燥程度以及灭菌环境的相对湿度均在环氧乙烷灭菌过程中发挥着不可忽视的作用，并且对灭菌效果产生显著影响。一般而言，在环氧乙烷灭菌操作中，湿度的适宜范围通常被界定为 30％RH – 80%RH。

在高湿度环境下，微生物细胞会因吸收周围环境中的水分而发生膨胀现象，这种细胞膨胀会导致细胞壁和细胞膜的结构发生改变，使其通透性显著增加。而环氧乙烷分子作为一种能够穿透微生物细胞壁和细胞膜的小分子物质，在细胞壁和细胞膜通透性增加的情况下，能够更加顺利地进入微生物细胞内部，与细胞内的生物大分子物质，如蛋白质、核酸等发生化学反应，从而破坏微生物的正常生理代谢功能，实现灭菌的目的。

相反，在低湿度环境中，微生物细胞处于相对干燥的状态，其细胞壁和细胞膜的结构相对较为紧密，环氧乙烷分子与微生物细胞表面成分的相互作用方式和反应机制会发生变化。

此时，环氧乙烷可能更多地与微生物细胞表面的干燥蛋白质、多糖等物质发生氧化、烷基化等特殊反应，虽然这些反应也能够在一定程度上破坏微生物细胞的结构和功能，但反应速率和效果可能相对较弱。因此，不同的湿度条件会通过改变环氧乙烷与微生物细胞的作用方式和反应速率，对灭菌效果产生重要影响。

– 对于吸水性较强的包装材料或器械材质，湿度的变化不仅会直接影响其自身的物理性能，还会间接影响环氧乙烷的灭菌效果。以纸质包装材料为例，在高湿度环境下，纸张会吸收大量水分而变得潮湿柔软，其机械强度会显著降低，容易出现破损现象，从而破坏包装的完整性，使内部医疗器械暴露于外界环境中，增加污染风险，同时也会影响环氧乙烷气体在包装内部的浓度分布和扩散路径。

而在低湿度环境下，纸质包装可能会变得干燥脆硬，容易产生裂纹，同样会影响包装的防护性能和密封效果。对于一些吸水性较强的医疗器械材质，如某些天然橡胶或纤维素类材料制成的器械，湿度变化也会导致其物理性能发生改变。高湿度可能会使这些材料膨胀变形，影响器械的尺寸精度和使用性能；低湿度则可能使其变硬变脆，增加器械在操作过程中损坏的风险。

此外，湿度变化还会影响这些材料表面的化学性质，如表面电荷分布、官能团活性等，进而改变环氧乙烷在其表面的吸附、扩散和反应特性，最终对灭菌效果产生间接影响。因此，在环氧乙烷灭菌过程中，需要针对具体的包装材料和器械材质特性，充分考虑湿度对其物理和化学性能的影响，以确保灭菌效果的稳定性和可靠性。

（四）环氧乙烷浓度

1. 常用浓度范围：在当前的医疗器械环氧乙烷灭菌实践中，常用的环氧乙烷浓度范围一般为 450mg/L – 1000mg/L 以上。这一浓度范围是经过大量的实验研究和临床实践经验总结得出的，能够在满足大多数医疗器械灭菌要求的同时，兼顾环氧乙烷的使用效率、灭菌时间以及残留量控制等多方面因素。

2. 相关影响因素：

– 产品装载量：产品装载量的大小是影响环氧乙烷浓度选择的重要因素之一。当灭菌器内装载的医疗器械数量较多、体积较大时，会占据更多的空间体积，使得环氧乙烷气体在灭菌器内的分布空间相对减小。

同时，大量的医疗器械会对环氧乙烷气体产生吸附和消耗作用，导致气体浓度在扩散过程中逐渐降低。为了确保在整个灭菌过程中，所有的医疗器械都能够充分接触到足够浓度的环氧乙烷气体，以实现有效的灭菌效果，在装载量较大的情况下，就需要适当提高环氧乙烷的初始浓度。

例如，在对一批数量较多的一次性注射器进行灭菌时，如果按照常规浓度加入环氧乙烷，可能会导致位于装载中心位置或下层的注射器无法接触到足够浓度的气体，从而出现灭菌不彻底的情况。因此，需要根据装载量的实际情况，合理调整环氧乙烷浓度，以保障灭菌的均匀性和有效性。

– 加入时间：环氧乙烷的加入时间长短对其在灭菌器内的分布均匀性以及与微生物作用的时间有着密切的关联，进而与所需的浓度产生相互影响。如果环氧乙烷加入速度过快，会导致在短时间内灭菌器内局部区域的环氧乙烷浓度过高，而其他区域的浓度则相对较低，形成浓度梯度分布不均匀的现象。

这种不均匀的浓度分布可能会使得部分区域的微生物在短时间内受到过高浓度环氧乙烷的强烈冲击，而其他区域的微生物则可能由于浓度不足而无法得到有效杀灭，从而影响灭菌效果的一致性。

相反，如果环氧乙烷加入速度过慢，虽然有助于气体在灭菌器内更加均匀地分布，但会延长环氧乙烷与微生物作用的总时间。在较长的作用时间内，微生物可能会逐渐适应低浓度的环氧乙烷环境，产生一定的抗性或耐受性，从而降低灭菌效果。

因此，在实际操作中，需要根据灭菌器的类型、装载物品的特点等因素，精确控制环氧乙烷的加入时间，以实现其在灭菌器内的均匀分布，并确保在合适的时间内与微生物充分作用，从而确定最佳的浓度与加入时间的匹配关系。

– 残留量考量：在确定环氧乙烷浓度时，必须充分考虑灭菌后环氧乙烷在医疗器械上的残留量问题。环氧乙烷是一种具有一定毒性的化学物质，过高的残留量可能会对人体健康产生危害，尤其是对于那些与人体直接接触或长期植入体内的医疗器械，如心脏起搏器、人工关节等，对环氧乙烷残留量的要求更为严格。

因此，在保证能够实现有效灭菌的前提下，需要尽可能降低环氧乙烷的使用浓度，并结合其他工艺手段，如通风换气、解析处理等，来减少灭菌后医疗器械上的环氧乙烷残留量。

例如，可以在灭菌结束后，通过延长通风时间、提高通风温度或采用特殊的解析装置等方法，加速环氧乙烷从医疗器械表面的挥发和去除，以确保医疗器械的安全性。在选择环氧乙烷浓度时，需要综合权衡灭菌效果与残留量控制之间的关系，制定合理的灭菌工艺方案。

– 压力差影响：环氧乙烷浓度与压力之间存在着直接的相互关系，在灭菌过程中，加药时的压力差会对环氧乙烷气体的扩散和渗透产生重要影响，进而影响其在灭菌环境中的实际浓度分布。

当灭菌器内存在较大的压力差时，例如在负压灭菌过程中，外部大气压与灭菌器内部的负压形成较大的压力梯度，这种压力差会促使环氧乙烷气体以更快的速度从加药部位向整个灭菌器空间扩散，从而加快气体的渗透速度，使得环氧乙烷能够更迅速地到达被灭菌物品的各个部位。

然而，如果压力差过大，可能会导致环氧乙烷气体在扩散过程中出现局部湍流现象，使得气体分布不均匀，甚至可能造成气体的快速泄漏，降低灭菌器内的实际环氧乙烷浓度，影响灭菌效果。

因此，在实际操作中，需要精确控制压力差的大小，使其既能促进环氧乙烷气体的有效扩散和渗透，又能保证气体在灭菌器内的均匀分布和稳定浓度，以实现最佳的灭菌效果和气体利用效率。

（五）灭菌时间

1. 半周期法验证：在确定环氧乙烷灭菌时间时，通常采用半周期法进行微生物性能验证。具体操作过程是，在保持除灭菌时间以外的所有其他过程参数不变的情况下，通过实验测定能够确保无存活菌的环氧乙烷最短有效作用时间，这一最短时间即为半周期。半周期法的原理基于微生物的杀灭动力学，即在一定的灭菌条件下，微生物的死亡数量与作用时间呈现一定的函数关系。通过确定半周期，可以为后续确定合理的灭菌工艺时间提供重要依据。

2. 时间设定依据：根据半周期法确定的结果，一般规定灭菌工艺所设定的作用时间应至少为半周期的 2 倍。然而，需要明确的是，这一规定的时间并不一定是绝对的最短有效时间，在实际应用中，还需要综合考虑多种因素进行灵活调整。例如，对于一些结构复杂、内部存在较多隐蔽部位或生物负载较高的医疗器械，如某些带有复杂内部结构的牙科医疗器械或被大量微生物污染的手术器械，环氧乙烷可能需要更长的时间才能充分穿透到器械的各个部位，并与所有的微生物充分作用，以确保灭菌效果的可靠性。

在这种情况下，就需要适当延长灭菌时间，以弥补结构和生物负载对灭菌效果的影响。相反，对于一些对灭菌时间较为敏感的器械或包装材料，如某些含有易老化成分的塑料包装材料或对长时间高温环境耐受性较差的电子元件类医疗器械，过长的灭菌时间可能会导致器械性能下降或包装材料老化、脆化，从而影响医疗器械的使用寿命和包装的完整性。

因此，在确定灭菌时间时，需要精确评估医疗器械的结构特点、生物负载情况以及包装材料的性能等多方面因素，在保证灭菌质量的前提下，尽可能优化灭菌时间，以保护器械和包装的性能不受损害，实现灭菌效果与器械质量的平衡。

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三、各因素间的相互关系与综合考量

2024有源医疗器械创新论坛Medtec指出，在影响医疗器械产品环氧乙烷灭菌效果的五个主要因素中，湿度的情况较为特殊，只要其处于合适的范围（30％RH – 80%RH）内，湿度的高低变化对灭菌效果的影响相对不那么显著。而温度、环氧乙烷浓度和灭菌时间这三个因素则呈现出一定的相似性，即在一定范围内，适当提高它们的数值往往能够增强灭菌效果，但它们各自都存在着一个上限值。

一旦超过这些上限，可能会引发一系列问题，如过高的温度可能导致医疗器械材料性能劣化、过高的环氧乙烷浓度可能导致残留量超标对人体产生危害、过长的灭菌时间可能导致器械性能下降或包装老化等。在压力因素方面，一般而言，压力会影响环氧乙烷在灭菌腔体内的穿透与扩散速率。适当增加压力能够促使环氧乙烷更好地渗透到医疗器械的各个部位，从而提升灭菌效果。然而，压力同样不能无限制地升高，过高的压力可能会对灭菌设备的耐压性能提出严峻挑战，增加设备故障风险与维护成本，同时也可能对医疗器械的结构完整性造成潜在威胁，例如使一些精密部件发生形变或损坏。

在实际的医疗器械环氧乙烷灭菌过程中，不能孤立地看待这五个主要因素。而是需要综合考量它们之间的相互关系，根据不同医疗器械的材质、构造、包装形式以及灭菌要求等，精心优化各因素的参数组合。

例如，对于某些对温度较为敏感的高分子材料医疗器械，在保证灭菌效果的前提下，应优先控制温度在较为温和的范围内，然后通过适当调整环氧乙烷浓度、灭菌时间和压力等因素来达到理想的灭菌状态。只有这样全面且系统地综合考虑各因素间的相互作用，才能确保在实现高效灭菌的同时，最大程度地保障医疗器械的性能、安全性以及使用寿命，满足医疗行业对于无菌医疗器械的严格质量要求，为医疗健康事业提供坚实可靠的器械保障基础。

文章来源： 假如你在医疗器械行业