對醫(yī)療器械的需求不斷增長，對滅菌的需求也在不斷增長，這使得所有可用的滅菌選項成為必要。大多數(shù)一次性醫(yī)療器械由僅能承受適度溫度升高的聚合物制成。幾十年來，環(huán)氧乙烷和伽馬輻射一直是主要的“冷”滅菌方法。對這些方法的未來可用性的擔憂，無論是否合理，以及對全球滅菌能力的潛在影響，都重新點燃了對替代技術(shù)的興趣。其中包括電子束輻照和X射線輻照。
自 1950 年代以來，電子加速器已用于不同行業(yè)，主要用于改性聚合物，例如用于電纜絕緣體的聚乙烯交聯(lián)。使用電子束對 1970 年代開發(fā)的醫(yī)療設(shè)備進行消毒。許多主要的醫(yī)療器械制造商都有現(xiàn)在采用電子束加速器作為內(nèi)部滅菌解決方案，同時合同電子束照射的報價也有所增長。2011 年，第一家高功率 X 射線滅菌設(shè)備(現(xiàn)由 STERIS 擁有)在瑞士開始運營。自 2020 年以來，新投入運行的 EB-X 服務設(shè)施的數(shù)量超過了新的伽馬設(shè)施數(shù)量。美國(靠近德克薩斯州達拉斯、馬薩諸塞州諾斯伯勒、伊利諾伊州利伯蒂維爾)、德國、荷蘭(芬洛)和泰國(春武里)已經(jīng)或正在建設(shè)新的 X 射線能力。
與作為電離輻射源的鈷 60 相比，加速器具有多種優(yōu)勢：
它們是耐用的電機，可以從許多供應商處采購。
可以暫停電離輻射的發(fā)射。
它們的安全特性使許可和法規(guī)遵從變得更加容易。
但與伽馬輻照器不同
它們是復雜的機器，需要大量的備件預算和技術(shù)專長，這通常通過維護合同來解決。
從第一天開始就可以滿負荷使用，只有通過利用時間才能適應市場需求。當機器空閑時，不消耗電力。
電子加速器
加速器以光束的形式從機器中射出的電子以受控速度掃描產(chǎn)品以調(diào)整劑量，從而將動能水平提高。電子如何加速以及產(chǎn)品如何相對于光束暴露是不同類型機器的特征。除了許多技術(shù)細節(jié)之外，對于用戶來說，一個關(guān)鍵因素最終是機器需要多少能量才能在產(chǎn)品中獲得所需的劑量，以及所需的劑量分布。
加速器的兩個主要特性是光束的能量和功率。
能量以兆電子伏特 (MeV) 或千電子伏特 (keV) 表示，電子伏特是可以轉(zhuǎn)換為焦耳的能量單位。能量決定了光束可以穿透產(chǎn)品的深度。這反過來又決定了治療的不均勻程度，通過最大劑量與最小劑量的比率(劑量均勻性比或 DUR)來量化。因此，就可以處理的產(chǎn)品和包裝的類型和密度而言，能源是工藝能力的一個關(guān)鍵因素。通常，能量越高，機器越大，占地面積越大，屏蔽越大，投資成本也越高。
對于特定的能量和目標產(chǎn)品，加速器的吞吐量與其功率成正比，以千瓦 (kW) 表示。系統(tǒng)的功率越大，提供特定劑量所需的時間就越少。選擇正確的功率是一項關(guān)鍵決策，必須基于對幾年所需處理能力的預測。
電子加速器可用于產(chǎn)生兩種類型的電離輻射：電子束和 X 射線。當束電子遇到放置在從加速器發(fā)出的束和產(chǎn)品之間的金屬目標時，就會產(chǎn)生 X 射線。大部分入射電子能量以熱量的形式消散，只有一小部分轉(zhuǎn)化為 X 射線，這就解釋了為什么在高功率、中高功率出現(xiàn)之前，X 射線不是一種商業(yè)上可行的醫(yī)療器械滅菌選擇-能源加速器。能量產(chǎn)量(每消耗單位電能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的千克數(shù))顯然使電子束成為比 X 射線更有效的技術(shù)，但這必須與 X 射線提供的廣泛的產(chǎn)品處理范圍和靈活性相平衡。
電子還是 X 射線?或兩者都有?
電子束的處理時間非常短。與伽馬輻照的幾個小時相比，滅菌劑量在幾秒鐘內(nèi)完成。這意味著高功率電子束加速器的吞吐量可能非常大。高劑量率的另一個好處是材料氧化的時間非常短，這可以最大限度地減少對某些聚合物的不利影響。
加速電子的主要限制是相對于來自伽馬射線或 X 射線的光子，它們在產(chǎn)品中的穿透力較差，因為它們具有質(zhì)量和負電荷。然而，由于可以使用高達 10 MeV 的能量，電子束可以很好地與中低密度的均勻包裝產(chǎn)品配合使用，例如紗布、窗簾、毛巾、繃帶、傷口護理敷料、實驗室器具、瓶子、蓋子、容器、管組、手術(shù)托盤、導管。
對于僅需要表面滅菌或厚度和密度足夠低(單個包裝)的項目，使用由自體產(chǎn)生的低能電子(80-300 keV)或中能電子(高達 5 MeV)進行在線滅菌。屏蔽單元是可能的。在制藥行業(yè)，全球有 30 多個單位使用電子束進行無菌灌裝(1)。裝有玻璃注射器的浴缸在電子束隧道中進行凈化，以確保灌裝區(qū)的無菌區(qū)保持完好無損。最近，市場上出現(xiàn)了一種使用脈沖電子束的新型在線電子束滅菌技術(shù)(2)。
超過一定的包裝尺寸或密度，在指定劑量范圍內(nèi)用電子束處理在技術(shù)上是不可行的。那么 X 射線是不涉及放射性物質(zhì)的輻射消毒替代方案。X 射線由傳播和穿透的光子組成，類似于伽馬輻射中的光子。劑量分布與伽馬輻照一樣好，有時甚至更好，而且處理時間更短。它們具有穿透性，并被視為甚至更均勻地作為伽馬輻射處理，也允許處理完整的托盤。
電子束和 X 射線之間的選擇將取決于包裝尺寸、密度、幾何形狀以及指定的最小和最大劑量之間的間隔(需要 DUR)。
雙技術(shù)系統(tǒng)(EB 和 X)是混合解決方案，以適應具有不同 DUR 公差的產(chǎn)品。這些雙重系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它們提供的靈活性，可以用一種技術(shù)處理某些產(chǎn)品，而用另一種技術(shù)處理其余產(chǎn)品。但是，它們總是針對一種技術(shù)進行優(yōu)化，因為它們是具有 X 射線功能的電子束系統(tǒng)或具有電子束功能的 X 射線系統(tǒng)。這種雙重系統(tǒng)是在待滅菌產(chǎn)品非常多樣化的情況下采用的折衷方案。
改變滅菌方式
醫(yī)療器械制造商所處的監(jiān)管環(huán)境往往使他們變得保守。雖然不一定是最佳的，但伽馬輻照是一種熟悉且簡單因此舒適的選擇，特別是對于過于昂貴而無法重新驗證的舊產(chǎn)品。考慮轉(zhuǎn)換需要努力，即使在監(jiān)管機構(gòu)中也缺乏關(guān)于電子束，尤其是 X 射線的知識，這可能會阻礙這些努力。關(guān)于輻射滅菌的 ISO 11137-1 標準適用于所有三種方式，但用于伽馬輻射的次數(shù)遠遠多于其他兩種類型的電離輻射。在過去三年中，各種利益相關(guān)者都試圖幫助醫(yī)療器械制造商考慮可能的改變。
在美國，由太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 運營的“Nablo 團隊”項目組織了一次由主要醫(yī)療設(shè)備制造商參與的行業(yè)合作，以填補關(guān)于材料與不同類型電離輻射兼容性的知識空白(3)。2020 年，伽馬和電子輻照專家組總結(jié)了 EN ISO 11137-1 中在改變輻射滅菌方式時的規(guī)范要求，尤其是從伽馬射線到 X 射線(4)。生物工藝過程系統(tǒng)聯(lián)盟 (BPSA) 制定了一項測試策略，以使大部分已經(jīng)到位的鑒定數(shù)據(jù)能夠充分利用用于 X 射線(5). 國際輻照協(xié)會 (iia) 發(fā)布了加速器買家指南，以幫助制造商做出投資決策(6)。AAMI 將于2022 年初發(fā)布 AAMI TIR 104，題為在輻射站點或方式之間轉(zhuǎn)移產(chǎn)品。
結(jié)論
最近的發(fā)展清楚地表明基于加速器的電子束和 X 射線滅菌在可用滅菌方式中的重要性日益增加。這是外部因素的結(jié)果，例如需要更多的滅菌能力、對成熟模式的未來的擔憂，因此需要對滅菌能力進行風險管理。這也是加速器技術(shù)進步和創(chuàng)新的結(jié)果。最近機器的設(shè)計和組件使它們更加可靠。該產(chǎn)品已大大擴展和多樣化，盡管仍保留一定程度的復雜性，但改進的界面使機器更加用戶友好。為了更好地回應客戶的問題和期望，許多制造商也降低了他們的技術(shù)含量。隨著主要消毒承包商將 X 射線添加到他們提供的消毒技術(shù)范圍內(nèi)，對 X 射線的不熟悉程度即將改變。我們只是處于醫(yī)療滅菌加速器發(fā)展的起步階段。
