醫(yī)療器械中環(huán)氧乙烷滅菌殘留物的來源分析

【作 者】劉柏東，賀偉罡，陳敏

國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京市，100081

0 引言

醫(yī)療器械是臨床活動的載體，通過與人體直接或間接接觸，實現(xiàn)其醫(yī)療用途。許多醫(yī)療器械在臨床使用前必須經(jīng)過滅菌才能保證安全性，滅菌的過程直接影響到人體生命安全。因此，對醫(yī)療器械進行滅菌是非常重要的環(huán)節(jié)。目前，環(huán)氧乙烷滅菌是醫(yī)療器械使用前的滅菌控制環(huán)節(jié)最常用的方式。環(huán)氧乙烷作為氣體滅菌已經(jīng)得到全世界的認可，隨著工業(yè)化的發(fā)展，被普遍應(yīng)用于不耐高溫高壓高濕度的醫(yī)療器械滅菌。但是環(huán)氧乙烷滅菌也存在一定的缺點，特別是滅菌后的殘留物是對相關(guān)使用或操作人員的重大威脅，對粘膜組織損傷嚴重，可引起細胞畸變和癌變。常見的殘留物包括環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇。因此了解環(huán)氧乙烷生產(chǎn)過程、滅菌特性、檢測方法等才能更好地分析其滅菌后的相關(guān)殘留物，進而對殘留物開展相關(guān)評價及控制，保障使用經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌的醫(yī)療器械的患者、醫(yī)護人員的健康。

1 殘留物的特性

環(huán)氧乙烷，CAS號：75-21-8，化學(xué)式：CH2-CH2-O，分子量為44.05。在室溫下為無色氣體，低溫時為無色易流動液體。有醚類物質(zhì)的味道，高濃度時有刺激臭味。溶于水、乙醇、乙醚等[1]。2-氯乙醇，CAS號:107-07-3，化學(xué)式：CH2Cl-CH2OH，分子量80.52，無色或淡黃色液體，微具醚香味，溶于水、乙酸、乙醚等，是重要的化工原料，用于制造乙二醇、環(huán)氧乙烷，及醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥的合成等。乙二醇，CAS號:107-21-1，化學(xué)式：CH2OH-CH2OH，分子量62.068，無色、無臭、有甜味液體。

2 環(huán)氧乙烷的滅菌過程

環(huán)氧乙烷屬高效廣譜滅菌劑，對細菌繁殖體細菌芽胞、真菌、病毒均有強大的殺滅滅活作用，環(huán)氧乙烷不損害滅菌的物品且穿透力很強，可以穿透微孔，到達內(nèi)部一定深度[2]。可廣泛用于醫(yī)療器械的滅菌。環(huán)氧乙烷滅菌時可采用100%純環(huán)氧乙烷或環(huán)氧乙烷和二氧化碳混合氣體。在光學(xué)內(nèi)窺鏡的相關(guān)標準中，明確提出環(huán)氧乙烷氣體應(yīng)包含10%環(huán)氧乙烷，90%氮氣，或者氣體混合物由10%環(huán)氧乙烷和90%氯四氟乙烷組成[3]。此類混合氣體屬于非易燃組合，但在實際生產(chǎn)過程中，出于保護環(huán)境的考慮，基本廢棄含氟氣體的引入。純環(huán)氧乙烷滅菌時需要根據(jù)實際情況控制周邊環(huán)境參數(shù)。二氧化碳分子量為44.0095，常溫常壓下，是氣態(tài)，與環(huán)氧乙烷分子量非常接近。因此環(huán)氧乙烷與二氧化碳混合氣體可以任意比例混合，且屬于非易燃性氣體。

2.1 環(huán)氧乙烷滅菌原理

環(huán)氧乙烷殺滅微生物主要是通過烷基化作用、抑制生物酶活性起到對微生物的殺滅作用。烷基化作用的位點是蛋白質(zhì)和核酸分子中的硫氫基(-SH)、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)和羥基(-OH)等，環(huán)氧乙烷可使這些基團發(fā)生烷基化反應(yīng)，阻礙蛋白質(zhì)的正?；瘜W(xué)反應(yīng)和新陳代謝，使微生物這些生物大分子失去活性，從而致死微生物。抑制微生物各種酶的活性，如磷酸脫氫酶、膽堿脂酶及其他氧化酶等，阻礙了微生物正常代謝過程的完成，導(dǎo)致其死亡[4]。

2.2 環(huán)氧乙烷滅菌執(zhí)行相關(guān)標準

醫(yī)療器械環(huán)氧乙烷滅菌是一個系統(tǒng)工程，從滅菌過程的開發(fā)、確認、控制、滅菌后微生物數(shù)量的控制、殘留物的檢測，都是需要醫(yī)療器械生產(chǎn)廠家用生產(chǎn)質(zhì)量體系文件合理控制?？蓞⒖嫉臏缇鷪?zhí)行標準包括：

（1）GB 18279.1—2015《醫(yī)療保健產(chǎn)品滅菌環(huán)氧乙烷 第1部分：醫(yī)療器械滅菌過程的開發(fā)、確認和常規(guī)控制的要求》；

（2）GB 18279.2—2015《醫(yī)療保健產(chǎn)品的滅菌 環(huán)氧乙烷 第2部分：GB 18279.1應(yīng)用指南》；

（3）GB/T 16886.7—2015《醫(yī)療器械生物學(xué)評價第7部分：環(huán)氧乙烷滅菌殘留量》；

（4）YY/T 1403—2017 《環(huán)氧乙烷分包滅菌的要求》；

（5）GB/T 19973.1—2015 《醫(yī)療器械的滅菌 微生物學(xué)方法 第1部分：產(chǎn)品上微生物總數(shù)的測定》；

（6）GB 19973.2—2018 《醫(yī)療器械的滅菌微生物學(xué)方法 第2部分：用于滅菌過程的定義、確認和維護的無菌試驗》；

（7）GB 18282.1—2015《醫(yī)療保健產(chǎn)品滅菌化學(xué)指示物 第1部分：通則》；

（8）GB/T 19972—2018《醫(yī)療保健產(chǎn)品滅菌 生物指示物 選擇、使用及檢驗結(jié)果判斷指南》 。

2.3 主要影響因素

影響滅菌的主要因素包括：溫度、濕度、壓力、環(huán)氧乙烷濃度、滅菌時間。同時滅菌的效果與醫(yī)療器械的材料特質(zhì)、理化性能、包裝的材料、大小、裝載容量及方式等也有關(guān)系。

在濕度控制方面，滅菌物品的含水量、微生物的含水量、滅菌環(huán)境的相對濕度都對最終效果有顯著影響。一般滅菌器在抽真空后，要求達到30%～80%RH，方可進行環(huán)氧乙烷滅菌操作。

溫度、壓力與環(huán)氧乙烷濃度的公式通過理想氣體狀態(tài)方程，可換算出推薦的數(shù)值。

pV=nRT，其中n=m/M，P-壓力（kPa）；V-體積(L)；n-氣體摩爾數(shù)（mol）；m-氣體質(zhì)量（g）；M-氣體分子量（44.05）；R-氣體常數(shù)（J/MOL.K）=8.314；T-氣體熱力學(xué)溫度（華氏攝氏度+273.15）；C-氣體濃度（g/L）。

2.4 環(huán)氧乙烷滅菌器工作過程

滅菌器的工作過程首先對滅菌室加溫，直到溫度達到預(yù)定的滅菌溫度；然后，滅菌室抽真空，當(dāng)達到預(yù)定的真空度后，開始對滅菌室加環(huán)氧乙烷；在上述過程結(jié)束后，滅菌過程開始；在整個滅菌過程中需保持恒溫狀態(tài)；滅菌結(jié)束時對滅菌室進行換氣，即用經(jīng)過濾后的清潔空氣置換滅菌室內(nèi)的殘余環(huán)氧乙烷氣體，經(jīng)廢氣處理系統(tǒng)處理后排放。

2.5 環(huán)氧乙烷滅菌確認

一般通過物理性能及微生物性能對所設(shè)定的環(huán)氧乙烷滅菌過程及參數(shù)進行確認。物理性能主要是確認設(shè)備能否達到預(yù)期生產(chǎn)工藝設(shè)計的參數(shù)的能力。微生物性能主要是確認設(shè)備是否能達到10-6滅菌工藝水平。常規(guī)使用含有生物指示物的環(huán)氧乙烷常規(guī)測試包進行環(huán)氧乙烷滅菌監(jiān)測，生物指示劑代表菌株為國際標準株，即枯草桿菌黑色變種芽孢(ATCC9372)，自含式生物指示劑管至少需要培養(yǎng) 48 h[5-6]。

3 滅菌殘留物的分析

3.1 殘留物的危害

一般情況下，采用環(huán)氧乙烷滅菌的醫(yī)療器械應(yīng)當(dāng)對滅菌后相關(guān)殘留物進行分析評價，因為殘留量的多少與接觸醫(yī)療器械的相關(guān)人員的健康息息相關(guān)。環(huán)氧乙烷是一種中樞神經(jīng)抑制劑。若與皮膚接觸迅速發(fā)生紅腫，數(shù)小時后起泡，反復(fù)接觸可致敏。液體濺入眼內(nèi)，可致角膜灼傷。若長期少量接觸，可見有神經(jīng)衰弱綜合征和植物神經(jīng)功能紊亂。有報道表明，大鼠急性口服LD50為330 mg/kg，環(huán)氧乙烷可使小鼠骨髓染色體的畸變率提高[7]。有報道，環(huán)氧乙烷接觸的工作人員致癌率和死亡率較高[8]。2-氯乙醇若與皮膚接觸，可出現(xiàn)皮膚紅斑；可經(jīng)皮吸收引起中毒；口服可致死；若慢性長期接觸有可對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、肺造成損傷。國內(nèi)外對于乙二醇的研究結(jié)果一致認為其本身毒性較低。其在體內(nèi)代謝過程與乙醇相同，經(jīng)過乙醇脫氫酶及乙醛脫氫酶的代謝，主要產(chǎn)物為乙醛酸、草酸和乳酸，毒性較高。因此多項標準中均對相關(guān)殘留物有具體要求。GB/T 16886.7—2015《醫(yī)療器械生物學(xué)評價第7部分：環(huán)氧乙烷滅菌殘留量》、YY 0290.8—2008《眼科光學(xué) 人工晶狀體 第8部分：基本要求》等標準中對環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇的殘留量的限值有詳細規(guī)定。GB/T 16886.7—2015中明確表示，當(dāng)使用環(huán)氧乙烷滅菌的醫(yī)療器械中存在2-氯乙醇時，2-氯乙醇的最大允許殘留量也有明確限值。因此，要從環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)、運輸、存儲環(huán)節(jié)，醫(yī)療器械的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、滅菌環(huán)節(jié)來綜合分析殘留物的產(chǎn)生。

3.2 殘留物的分析

環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)工藝分為氯醇法和氧化法。其中氯醇法為早期環(huán)氧乙烷生產(chǎn)方法。主要包含兩個反應(yīng)過程：第一步：C2H4＋HClO→CH2Cl-CH2OH；第二步：CH2Cl-CH2OH＋CaOH2→C2H4O＋CaCl2＋H2O。

其反應(yīng)過程中間產(chǎn)物為2-氯乙醇（CH2Cl-CH2OH）。因氯醇法技術(shù)落后，嚴重污染環(huán)境，加之產(chǎn)物對設(shè)備腐蝕嚴重，早己不被使用[9]。氧化法[10]分為空氣法和氧氣法。根據(jù)氧氣純度的不同，生產(chǎn)中的主要包含兩個反應(yīng)過程：第一步：2C2H4＋O2→2C2H4O；第二步：C2H4＋3O2→2CO2＋H2O。目前，環(huán)氧乙烷的工業(yè)生產(chǎn)主要采用以銀為催化劑的乙烯直接氧化法工藝。因此，環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)工藝是決定滅菌后對2-氯乙醇進行評價的一個因素。

參照GB/T 16886.7—2015標準中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行環(huán)氧乙烷滅菌過程的確認和開發(fā)，根據(jù)環(huán)氧乙烷的物理化學(xué)特性，滅菌后大部分殘留物以原形的形式存在。影響殘留量的因素主要包括醫(yī)療器械對環(huán)氧乙烷的吸附、包裝材料及厚度、滅菌前后的溫濕度、滅菌作用時間及解析時間、儲存條件等，以上因素決定了環(huán)氧乙烷氣體的逃逸能力。有文獻[11]報道，環(huán)氧乙烷滅菌濃度通常選擇300～1000 mg/L。滅菌時環(huán)氧乙烷的損耗因素主要包括：醫(yī)療器械的吸附、在一定濕度條件的水解等。濃度在600 mg/L是相對經(jīng)濟有效的，降低環(huán)氧乙烷的消耗與滅菌物品上的殘留，節(jié)約了滅菌成本。

氯在化學(xué)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，許多產(chǎn)品與我們息息相關(guān)。既可作為中間體，如氯乙烯；也可作為終產(chǎn)品，如漂白劑。同時氯也存在于空氣、水等環(huán)境中，對人體的危害也是顯而易見的。因此，在相關(guān)醫(yī)療器械經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮分析產(chǎn)品的生產(chǎn)、滅菌、存儲等環(huán)節(jié)，有針對性地采取相應(yīng)的措施控制2-氯乙醇的殘留量。

有文獻[12]報道，創(chuàng)口貼經(jīng)過環(huán)氧乙烷滅菌，解析72 h后，2-氯乙醇的含量達到近150 μg/片，參照GB/T 16886.7—2015的標準中規(guī)定的短期接觸器械，2-氯乙醇對患者的平均日劑量不應(yīng)超過9 mg，其殘留量遠低于標準中的限值。

有研究[13]對3種縫合針線中環(huán)氧乙烷及2-氯乙醇的殘留量進行測定，材質(zhì)為尼龍線的帶線縫合針環(huán)氧乙烷為未檢出，2-氯乙醇結(jié)果為53.7 μg/g。YY 0167—2005中規(guī)定了非吸收性外科縫線環(huán)氧乙烷檢出限值，對2-氯乙醇未做規(guī)定?？p合線在生產(chǎn)過程中有大量工業(yè)用水的可能。我國地面水的四類水質(zhì)是適用于一般工業(yè)保護區(qū)及人體非直接接觸的用水區(qū)，普遍經(jīng)過漂白粉處理，可控制水中的藻類及微生物，用于殺菌衛(wèi)生防疫。其主要有效成分為次氯酸鈣，是由氯氣通入石灰石生成。次氯酸鈣在空氣中易降解，主要反應(yīng)式為：Ca(ClO)2+CO2+H2O→CaCO3+2HClO。次氯酸在光照下易分解為鹽酸和水，主要反應(yīng)式為：2HClO+光照→2HCl+O2。氯負離子易吸附在縫合線中，在一定的弱酸性或弱堿性環(huán)境下，環(huán)氧乙烷開環(huán)與其生成2-氯乙醇。

有文獻[14]報道，用丙酮超聲提取人工晶狀體樣品殘留的2-氯乙醇，利用氣相色譜-質(zhì)譜法測定，但并未檢出。YY 0290.8—2008《眼科光學(xué) 人工晶狀體 第8部分：基本要求》中，規(guī)定人工晶狀體上2-氯乙醇殘留量每只每天不應(yīng)超過2.0 μg，每個晶狀體總量不應(yīng)超過5.0 μg。

因此，醫(yī)療器械經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況綜合分析氯離子殘留的可能性，并采取相關(guān)措施控制2-氯乙醇的殘留量。GB/T 16886.7—2015標準中提到2-氯乙醇殘留引起的眼毒性是同等水平環(huán)氧乙烷的4倍。

在醫(yī)療器械滅菌過程中，部分一次性使用醫(yī)療器械或包裝材料的原材料包括聚氯乙烯（PVC），PVC樹脂在加工中因樹脂分解也會產(chǎn)生極少量的氯乙烯單體。GB 10010—2009《醫(yī)用軟聚氯乙烯管材》中規(guī)定了氯乙烯單體含量不能超過1 μg/g。氯乙烯在催化劑（過氧化物等）或光、熱作用下容易發(fā)生聚合，生成聚氯乙烯，統(tǒng)稱為氯乙烯樹脂。聚氯乙烯受熱超過100oC或經(jīng)過紫外線輻射照射會存在氯化氫氣體逃逸的可能性。那么包裝內(nèi)氯化氫氣體與環(huán)氧乙烷結(jié)合會生成一定量的2-氯乙醇。

乙二醇性質(zhì)穩(wěn)定，不易揮發(fā)。環(huán)氧乙烷中的氧原子帶兩個孤對電子，具有較強的親水性，在與氯負離子共存的情況下，更容易生成乙二醇。例如：C2H4O+NaCl＋H2O→CH2Cl-CH2OH+NaOH。此過程反應(yīng)端為弱堿性，生成端為強堿性，這種反應(yīng)發(fā)生率較低。發(fā)生率更高的是環(huán)氧乙烷遇水生成乙二醇：C2H4O+H2O→CH2OH-CH2OH，且環(huán)氧乙烷水合作用會抑制其與游離氯負離子的結(jié)合。

醫(yī)療器械生產(chǎn)、滅菌、存儲、運輸、使用等環(huán)節(jié)中，若引入氯負離子，存在環(huán)氧乙烷與其發(fā)生反應(yīng)生成2-氯乙醇的可能性。由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)中氯醇法已經(jīng)被淘汰，那么其中間產(chǎn)物2-氯乙醇不會在直接氧化法中出現(xiàn)。醫(yī)療器械的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，某些原材料對環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇具有極強的吸附特性，那么滅菌后進行解析時必須考慮其殘留量的控制。此外，醫(yī)療器械生產(chǎn)過程中，原料、添加劑、反應(yīng)抑制劑等含有以氯化物形式存在的無機鹽，在滅菌時，須考慮環(huán)氧乙烷在酸性或堿性條件下開環(huán)，發(fā)生SN2反應(yīng)，與游離的氯負離子結(jié)合生成2-氯乙醇的可能性。

3.3 常用的殘留物檢測方法

目前，常用檢測環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇的方法為氣相色譜法。環(huán)氧乙烷還可以用品紅亞硫酸試液對比色法進行檢測，但其缺點是檢測結(jié)果的真實性受實驗條件影響的因素較多，如保證實驗環(huán)境溫度37oC的恒定從而控制乙二醇的反應(yīng)，顯色處理后的待測液放置時間等。因此，在有資質(zhì)的實驗室，經(jīng)過確認的方法學(xué)驗證（包括準確度、精密度、線性、靈敏性等）對于殘留量的定量檢測有參考意義。

4 總結(jié)

環(huán)氧乙烷是繼甲醛之后出現(xiàn)的第2代化學(xué)滅菌劑，至今仍為最好的冷滅菌劑之一，也是目前四大低溫滅菌技術(shù)（低溫等離子體、低溫甲醛蒸汽、環(huán)氧乙烷、戊二醛）中最重要的一員。目前，工業(yè)上應(yīng)用最多的是純氧與乙烯在銀催化劑的作用下直接反應(yīng)生成環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷的純度直接影響著滅菌效果。環(huán)氧乙烷滅菌后，相關(guān)滅菌殘留物的控制也是非常重要的環(huán)節(jié)。環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇是醫(yī)療器械進行環(huán)氧乙烷滅菌后常見的殘留物。開展殘留物評價，應(yīng)考慮環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)、存儲、醫(yī)療器械的生產(chǎn)、滅菌等環(huán)節(jié)相關(guān)物質(zhì)的引入。

實際醫(yī)療器械審評工作中還應(yīng)關(guān)注兩個問題：①是否需要進行2-氯乙醇的殘留量的檢測。在環(huán)氧乙烷生產(chǎn)環(huán)節(jié)，若采用傳統(tǒng)氯醇法，盡管在生產(chǎn)過程中會采取提純、過濾等方法，環(huán)氧乙烷氣體在一定程度上還是會含有中間產(chǎn)物2-氯乙醇，應(yīng)對其殘留量進行評價。若采用氧化法，沒有2-氯乙醇的引入，但應(yīng)考慮環(huán)氧乙烷反應(yīng)過程中的抑制劑的二氯乙烷的殘留量。醫(yī)療器械在生產(chǎn)過程中大量使用工業(yè)用水，成品中也會吸附一定量的次氯酸、氯負離子，這些是殘留物中可能存在2-氯乙醇的原因。還存在醫(yī)療器械的原材料及包裝中是含有氯元素的無機鹽或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不易斷鍵的高分子材料等的情況，因此要綜合分析2-氯乙醇殘留量的風(fēng)險是否一定需要檢測來進行評價，若有充分的證據(jù)表明不會引入2-氯乙醇或低于檢測方法的檢測限，可以不考慮用檢測來控制其風(fēng)險。②對于乙二醇的殘留量的分析評估。與環(huán)氧乙烷、2-氯乙醇相比，乙二醇殘留物接觸毒性較低，但由于環(huán)氧乙烷生產(chǎn)、使用過程中還會接觸二氧化碳和水，而環(huán)氧乙烷與水又容易生產(chǎn)乙二醇，滅菌后乙二醇的含量與環(huán)氧乙烷的純度相關(guān)，也與包裝、微生物中的水分及滅菌的溫濕度環(huán)境相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實際情況考慮對乙二醇進行評價。

標準是醫(yī)療器械技術(shù)審評的工具之一，醫(yī)療器械技術(shù)審評工作要關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)、存儲、使用等各環(huán)節(jié)安全有效的基本要求，綜合分析影響安全有效的因素，要做到理論聯(lián)系實際，基于科學(xué)、基于事實，而不是直接引用標準，脫離產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、使用的實際情況。審評工作應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量體系對于相關(guān)環(huán)節(jié)的控制，同時體系核查中的現(xiàn)場審評也應(yīng)當(dāng)以“問題”為導(dǎo)向，充分發(fā)揮“眼睛”的作用。從而達到提高審評質(zhì)量，科學(xué)審評的目的。