可降解聚酯醫(yī)療器械中環(huán)氧乙烷殘留測(cè)定與解吸研究

馬麗霞，王憲朋，朱愛臣，吳倩倩，董 浩，王傳棟，王 勤，劉 陽

(山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250101)

聚乙醇酸(PGA)、聚乙醇酸三亞甲基碳酸酯(PGATMC)、聚碳酸酯(PC)等因具有可降解性及生物相容性，在醫(yī)療器械產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用[1-3].醫(yī)療器械產(chǎn)品根據(jù)其生產(chǎn)及用途分無菌和非無菌醫(yī)療器械.目前，醫(yī)療器械滅菌方式有很多，如：濕熱滅菌、干熱滅菌、輻照滅菌、環(huán)氧乙烷滅菌等[4-7]，而輻照滅菌和環(huán)氧乙烷滅菌應(yīng)用相對(duì)廣泛.輻照滅菌具有無殘留的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于很多無菌醫(yī)療器械生產(chǎn)中，但是輻照滅菌，由于高能量的輸出，會(huì)導(dǎo)致可降解高分子鏈的斷裂，材料降解，從而對(duì)器械的性能產(chǎn)生一定的影響.因此，在可降解材料類醫(yī)療器械滅菌工藝中受到一定的限制[8-10].環(huán)氧乙烷(EO)，常溫下為無色氣體，具有非常強(qiáng)的滲透和擴(kuò)散能力，對(duì)細(xì)菌、芽孢、真菌、病毒等各種微生物都有殺滅作用，是一種廣譜殺菌劑.其作用強(qiáng)而迅速，作用機(jī)制為與微生物蛋白質(zhì)上的羧基、氨基、巰基和羥基發(fā)生烷基化反應(yīng)，從而阻止微生物的正常功能，致使微生物死亡[11].環(huán)氧乙烷滅菌具有成本低、滅菌效果好、批量大、對(duì)器械破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療器械滅菌中廣泛應(yīng)用.但環(huán)氧乙烷是一種有毒氣體，把微生物殺死的同時(shí)對(duì)人體也有毒害作用，它不僅具有急性毒性，而且還有致癌作用.急性中毒時(shí)，以惡心、嘔吐、胸悶、氣喘、頭暈、咳嗽、眼刺激為臨床表現(xiàn)，可能造成遲發(fā)性肺水腫、職業(yè)性慢性的傷害、自發(fā)性流產(chǎn)、癌癥、白內(nèi)障、接觸性皮膚炎及神經(jīng)精神方面的疾病[12-14].由此可見，經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌的醫(yī)療器械，環(huán)氧乙烷殘留量的檢測(cè)非常重要，使用前一定要確保產(chǎn)品中的殘留量在對(duì)人體無害的水平.

本文參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[15-18]，建立了對(duì)PGA、PGATMC、PC(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)三種不同材質(zhì)器械中環(huán)氧乙烷殘留量檢測(cè)的方法，并對(duì)產(chǎn)品中殘留的環(huán)氧乙烷進(jìn)行解吸研究.

圖1 EO、PC、PGA和PGATMC的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of EO, PC, PGA and PGATMC

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890N氣相色譜儀(FID檢測(cè)器)，Agilent 7697A型自動(dòng)頂空進(jìn)樣器(美國(guó)，安捷倫)；ZKF B-2型真空干燥箱(上海樹立)；BSA224S電子天平(德國(guó)，賽多利斯).

環(huán)氧乙烷標(biāo)準(zhǔn)工作液(如東神州化工，濃度10 g/L，水作溶劑)；純化水(實(shí)驗(yàn)室自制)；產(chǎn)品A(PGA材質(zhì))，產(chǎn)品B(PGATMC材質(zhì))，產(chǎn)品C(PC材質(zhì))，產(chǎn)品A、B和C均為紙塑包裝[14,19]，環(huán)氧乙烷滅菌，滅菌日期為2019年12月5日，滅菌后立即測(cè)試環(huán)氧乙烷殘留量，記作0時(shí)刻的環(huán)氧乙烷殘留量.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 環(huán)氧乙烷殘留量測(cè)定方法

色譜條件：DB-624毛細(xì)管柱(30 m×0.530 mm，3.2 μm)；柱溫：初始溫度50 ℃，保持5 min，然后以10 ℃/min的升溫速度升至100 ℃，保持5 min；進(jìn)樣口溫度：150 ℃；檢測(cè)器溫度：200 ℃；載氣：N2，流速3.0 mL/min；分流比為10∶1；頂空加熱箱溫度：60 ℃；定量閥溫度：70 ℃；傳輸線溫度：80 ℃；頂空瓶平衡時(shí)間：40 min；進(jìn)樣體積：1 mL.

對(duì)照溶液配制：用1 mL移液管精密量取環(huán)氧乙烷標(biāo)準(zhǔn)工作液1 mL，至100 mL量瓶中，水定容，搖勻，記作1號(hào)溶液.用0.5 mL移液管精密量取1號(hào)溶液0.2 mL，至10 mL量瓶中，水定容，搖勻，作為對(duì)照溶液.

樣品溶液制備：取樣品約1 g，剪成5 mm左右的小段，精密稱定后，置于頂空瓶中，精密加水5 mL，密封搖勻，作為樣品溶液.

1.2.2 環(huán)氧乙烷解吸方法

將經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌的產(chǎn)品A、B和C分別置于實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面上自然通風(fēng)解吸，并于7、14和30 d取樣檢測(cè)環(huán)氧乙烷殘留量；

將產(chǎn)品置于真空干燥箱中，室溫下真空解吸，于24、48 和72 h取樣，測(cè)試環(huán)氧乙烷殘留量；

將產(chǎn)品置于真空干燥箱中，80 ℃下真空解吸，于24、48和72 h取樣，測(cè)試環(huán)氧乙烷殘留量.

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧乙烷測(cè)試方法學(xué)研究

2.1.1 專屬性

取空白水及環(huán)氧乙烷對(duì)照溶液各5 mL，分別置于頂空瓶中，密封，按1.2.1項(xiàng)條件進(jìn)樣，記錄色譜圖.結(jié)果如圖2所示，a為空白水的氣相色譜圖，b為對(duì)照溶液的氣相色譜圖.從圖2中可以看出，環(huán)氧乙烷在3.43 min出峰，空白水在此處無干擾.

圖2 環(huán)氧乙烷氣相色譜圖Fig.2 GC of the ethylene oxide

2.1.2 線性范圍與檢測(cè)限

取1號(hào)溶液適量，用水稀釋，制備濃度分別為1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、40.0、60.0和100.0 mg/L的線性溶液，按1.2.1項(xiàng)條件進(jìn)樣測(cè)試，記錄色譜圖.以濃度c對(duì)峰面積A進(jìn)行線性回歸，回歸方程為：A=6.274 8c-0.332 1(R2=0.999 1，n=9).結(jié)果表明，環(huán)氧乙烷在1.0～100.0 mg/L的濃度范圍內(nèi)線性良好.以S/N≥3為檢測(cè)限，環(huán)氧乙烷的檢測(cè)限為0.1 mg/L.

2.1.3 重復(fù)性

取對(duì)照溶液，進(jìn)樣測(cè)試，連續(xù)進(jìn)樣6次，RSD為0.46%，表明重復(fù)性良好.

2.1.4 回收率

精密量取環(huán)氧乙烷標(biāo)準(zhǔn)工作液適量，加水稀釋，配制成濃度為1.6、2.0和2.4 mg/L回收率對(duì)照溶液各3份.將未經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌的產(chǎn)品剪碎放入9個(gè)頂空瓶中，分別精密量取三份上述溶液5 mL至上述頂空瓶中，作為回收率供試品溶液，按1.2.1項(xiàng)條件進(jìn)樣測(cè)試，記錄色譜圖，以峰面積按外標(biāo)法計(jì)算.環(huán)氧乙烷加樣回收率測(cè)試結(jié)果如表1所示.平均回收率達(dá)98.49%，RSD為0.90%.

表1 環(huán)氧乙烷加樣回收率

2.2 不同材質(zhì)產(chǎn)品環(huán)氧乙烷殘留量

按1.2.1項(xiàng)條件檢測(cè)產(chǎn)品A、B和C中EO殘留量，并按照外標(biāo)法以峰面積分別計(jì)算.結(jié)果顯示，產(chǎn)品C環(huán)氧乙烷殘留量最高，達(dá)310 μg/g，產(chǎn)品B次之，環(huán)氧乙烷殘留量為221 μg/g，產(chǎn)品A的環(huán)氧乙烷殘留量11.58 μg/g. 在GB 15980-1995一次性使用醫(yī)療用品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[20]，一次性醫(yī)療用品產(chǎn)品經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌或消毒出廠時(shí)，環(huán)氧乙烷殘留量不大于10 μg/g，由此可見，三種不同材質(zhì)的產(chǎn)品經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌后，不經(jīng)解吸，EO殘留均不滿足安全使用要求.

2.3 不同解吸方式對(duì)環(huán)氧乙烷殘留量的影響

采用自然通風(fēng)、真空和80 ℃下真空三種不同的解吸方式對(duì)產(chǎn)品中殘留的環(huán)氧乙烷進(jìn)行解吸，按照設(shè)計(jì)時(shí)間間隔取樣，按1.2.1項(xiàng)下的色譜條件，檢測(cè)產(chǎn)品中環(huán)氧乙烷殘留量，結(jié)果見表2.

表2 不同解吸方式解吸不同時(shí)間環(huán)氧乙烷殘留量

從表2中可以看出，自然通風(fēng)解吸條件下，產(chǎn)品A需要7 d之后EO殘留量滿足安全使用限度，產(chǎn)品B需要近30 d才能安全使用，而產(chǎn)品C則需要更長(zhǎng)的時(shí)間.室溫真空條件下強(qiáng)制解吸，產(chǎn)品A解吸3 d滿足安全要求，而產(chǎn)品B和C仍超過限度10倍以上.80 ℃下真空強(qiáng)制解吸24 h，產(chǎn)品A未檢出EO，產(chǎn)品B和產(chǎn)品C各檢出12和23 μg/g，解吸48 h，產(chǎn)品A、產(chǎn)品B和產(chǎn)品C的EO殘留均能滿足安全使用要求.

3 結(jié)論

PGA、PGATMC和PC三種材質(zhì)的器械，經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌后，采用頂空氣相色譜法檢測(cè)，PC材質(zhì)的器械EO殘留量最高，高達(dá)310 μg/g，PGATMC材質(zhì)的器械次之，EO殘留量為221 μg/g，PGA材質(zhì)的器械EO殘留量11.58 μg/g.三種不同材質(zhì)的器械經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌后，EO殘留量均超過了一次性使用醫(yī)療用品安全使用限度的要求.

采用自然通風(fēng)以及室溫下真空和80 ℃下真空三種不同的解吸方式對(duì)三種材質(zhì)的器械產(chǎn)品中殘留的環(huán)氧乙烷進(jìn)行解吸.PGA材質(zhì)的器械自然解吸7 d后EO殘留量滿足安全使用限度，PGATMC需要自然解吸近30 d才能安全使用，而PC材質(zhì)的則需要更長(zhǎng)的解吸時(shí)間.室溫下真空較自然通風(fēng)可以節(jié)省一定的時(shí)間，但是效果仍不理想.80 ℃下真空解吸效果最好，強(qiáng)制解吸48 h，三種不同材質(zhì)的器械EO殘留均能滿足安全使用的要求.

三種材料對(duì)環(huán)氧乙烷的吸附不同，相同條件下PC對(duì)環(huán)氧乙烷吸附量最大，PGA最小，PGATMC介于兩者之間，這可能與三種聚酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān).PGA為半結(jié)晶聚合物，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在36～45 ℃之間，熔融溫度約220 ℃，分子排列緊密[21-23]，在50 ℃，RH 50%條件下進(jìn)行EO滅菌，EO分子很難進(jìn)入PGA鏈段中，因此，EO殘留量較低，而PC為非結(jié)晶聚合物[24]，分子排列松散，在高溫高壓高濕條件下，EO容易進(jìn)入PC分子鏈段中，因此0時(shí)刻PC器械的EO殘留量高.室溫下PC分子鏈段凍結(jié)，進(jìn)入分子鏈段中的EO不易解吸，而80 ℃時(shí)PC分子鏈段之間的作用力減弱，在真空條件下EO容易從PC分子間解吸.PTMC為無定形聚合物[25]，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在-12 ℃附近，PGA鏈段中引入TMC鏈段，破壞了PGA鏈段的規(guī)整性，結(jié)晶能力大大降低，因此EO 殘留量較PGA的高，但是由于PGATMC共聚物中仍有少量的結(jié)晶區(qū)存在，因此EO殘留量較無規(guī)聚合物PC的略低.

本文建立了可降解聚酯醫(yī)療器械中環(huán)氧乙烷殘留的檢測(cè)方法，簡(jiǎn)單易操作.探尋了可降解聚酯中環(huán)氧乙烷的解吸方法，為該類材料的醫(yī)療器械安全使用提供了保障.