生物醫(yī)用材料系列生物醫(yī)學材料的消毒與滅菌

1、1,生物醫(yī)學材料的消毒與滅菌,第一節(jié) 微生物的滅殺第二節(jié) 生物醫(yī)學材料的熱滅菌法第三節(jié) 生物醫(yī)學材料的化學滅菌法第四節(jié) 生物醫(yī)學材料的輻射滅菌法第五節(jié) 滅菌技術的發(fā)展,2,病原菌污染,生物醫(yī)學材料及其制品,與人體接觸,病原菌增殖,局部及全身疾患,,,,,3,消毒: 指殺滅(破壞)非芽胞型和增殖狀態(tài) 的致病微生物的過程.滅菌: 指殺滅物品中一切微生物的過程。 方法有三種:

2、 熱滅菌、化學滅菌、輻射滅菌。,4,滅菌能達到消毒目的； 消毒達不到滅菌要求。 某些化學藥劑低濃度是消毒劑, 高濃度時是滅菌劑。無法嚴格確定微生物的致病性。,5,醫(yī)用制品用于人體，應屬滅菌處理； 一般醫(yī)用外科制品滅菌后要求： 芽胞存活率低于10 -6，即100萬次無菌實驗后，陽性率 < 1。滅菌和消毒無法嚴格區(qū)別，統(tǒng)稱“消毒”。,6,4.1 微生物的滅殺,微生物是一群

3、體形微小、構造簡單的低等生物, 一般由單細胞構成，也有簡單的多細胞和沒有典型細胞形態(tài)的類型。 一切微生物包括病原菌和非病原菌： 如 細菌、放射菌、真菌、芽胞, 病毒、立克次氏體等。,7,芽胞是某些微生物在其生命周期中的正常休眠階段, 其耐殺滅性要比增殖狀態(tài)高許多倍。用消毒方法不能殺滅芽胞, 肝炎病毒等。 由于芽胞膜致密耐熱, 對化學品等抵抗能力強, 因此常以殺滅芽胞作為評價滅菌效果的依據(jù)。,8

4、,滅菌過程中，殺滅微生物的速率通常與微生物的濃度或單位體積內微生物的數(shù)目成正比。 1 N0 K= In t Nt t: 滅菌時間；N0 ：滅菌前原始微生物數(shù)目；Nt：滅菌后存活的微生物數(shù)目。,,,9,殺滅微生物的速率的另一種表示法是用“1/10減少時間”的 D值 來表示，即殺滅90%微生物所需要的時間，其為速度常數(shù)的倒數(shù)。 D值單位： 熱

5、化學滅菌：時間分或小時； 電離輻射滅菌：拉得。,10,4.2 生物醫(yī)學材料的熱滅菌法,熱滅菌法是借助高溫使微生物細胞蛋白質凝固。 主要滅菌法： 高壓蒸汽滅菌法； 干熱法； 火焰法 ——以火焰中加熱為根據(jù)的殺滅微生物的方法。,11,高壓蒸汽滅菌法由于在加壓下蒸汽的穿透性有所增強, 溫度高, 細胞原生質含水量高, 變性凝固更容易發(fā)生。 高壓蒸汽滅菌是熱力滅菌中使用最普

6、遍, 效果最好, 最可靠的一種滅菌方法。 高壓蒸汽滅菌法在專門的高壓蒸汽滅菌器中進行（如高壓鍋）。,高壓蒸汽滅菌法,12,圖1：桌上型高壓滅菌鍋（臺灣頤和）,13,圖2：全自動微電腦蒸汽消毒爐,14,滅菌溫度越高,滅菌效果越好。高壓消毒時間與溫度的關系是:115 oC, 0.7千克/厘米2表壓, 30分鐘; 121 oC, 1千克/厘米2表壓, 20分鐘; 126 oC, 1.4千克/厘米2表壓,

7、15分鐘.,15,高壓蒸汽滅菌溫度受壓力控制，壓力增高， 溫度增高。 高壓蒸汽滅菌應考慮: 1. 熱滅殺時間； 2. 熱力穿透時間 （包裝大小、安放位置等）； 3. 安全時間。,16,高壓蒸汽法對材料滅菌, 要求材料至少要能耐受 115 oC 以上 的高溫.適用于高壓蒸汽消毒的高分子材料有: 聚丙烯, 尼龍, 硅橡膠, 天然橡膠, 聚四氟乙烯, 聚三氟氯乙烯,

8、氟乙烯丙烯共聚物, 聚碳酸酯, 聚對苯二甲酸乙二醇酯, 環(huán)氧樹脂等。其他高分子材料大都不適用.,17,特點,,滅菌有效, 簡便, 經(jīng)濟,缺點,熱和濕氣會對一些材料的性質產(chǎn)生明顯的影響,,如: 超過高分子材料的玻璃化溫度, 會引起高分子形狀和表面的改變, 因而會影響其機械性能及生物相容性等性能； 一些硅橡膠-低溫各同性碳的復合制品, 滅菌后其抗凝血性能有所下降；醫(yī)用高分子材料制作的電子元件和精密器件不宜使用高壓蒸汽滅

9、菌；,18,重要的是, 這種滅菌方法不能適應工業(yè)規(guī)模高分子制品的滅菌要求。滅菌后的產(chǎn)品不宜長期保存, 因此需要開展滅菌方法的研究和建立相應工業(yè)規(guī)模的滅菌裝置，以適應生物醫(yī)學材料的發(fā)展要求。,19,原理：在適當溫度的干熱空氣中加熱，殺滅存在的微生物。 對象：玻璃制品，磁制品，金屬制品等，在160— 190 ℃的溫度進行。 優(yōu)點：可以在干燥情況下對大規(guī)模的裝置進行殺菌操作。 缺點：與高壓蒸汽法相比，殺滅效果稍差。 殺滅效

10、果：一般細菌和真菌是能被殺滅的 ,然而在孢子形成菌里面，即使 300 ℃， 也有30%僥幸 , 所以要注意。,干熱法,20,圖3：干熱滅菌器,21,表一、通常設定的溫度、時間,,22,4.3 生物醫(yī)學材料的化學滅菌法,化學滅菌法是使化學藥品滲入到微生物的細胞內與其反應形成化合物, 影響蛋白質、酶系統(tǒng)的生理活性, 破壞細胞的生理機能而導致細胞死亡,達到滅菌效果。 兩種類型的消毒滅菌劑： 1.液體與固體的水溶液；

11、 2.氣體。,23,1.重金屬及其化合物: 主要包括汞、銀、銅重金屬鹽類, 都是蛋白質沉淀劑。殺菌作用是由于重金屬離子易與細胞蛋白質結合而使之變性, 或者與酶的-SH基結合而使酶失去活性。,4.3.1 臨床及制品生產(chǎn)中經(jīng)常使用的 化學消毒滅菌劑,24,2. 醇類: 有乙醇和異丙醇等。 可以使蛋白質變性、干擾微生物的新陳代謝，抑制細菌繁殖。 3. 過氧化物:

12、有過氧化氫、臭氧、過氧乙酸和過氧碳酸等。,25,4. 鹵族元素及其化合物: 有氯和碘化合物, 其中氯化合物應用最廣泛。 5. 氧雜環(huán)化合物: 環(huán)氧乙烷,環(huán)氧丙烷,?-丙內酯等, 殺菌機制是由于對蛋白質分子烷基化作用, 干擾微生物酶的正常代謝而使之死亡。,26,6. 醛類: 常用的有甲醛和戊二醛, 它們可以使蛋白質烷基化，還原氨基酸并使蛋白質凝固而達到殺菌目的, 也是一種臨床常用的消毒和滅菌方法。

13、7. 酚和酚衍生物： 消毒劑中種類最多的一類。包括石炭酸、煤酚皂。,27,8. 季氨化合物: 有新潔爾滅, 度米芬, 消毒凈等。 主要是改變細胞的滲透性，使菌體破壞并使蛋白質變性。9. 表面活性劑: 這類物質可加入培養(yǎng)基中影響微生物細胞的生長與分裂。10. 其它化學品: 包括酸、 堿、 洗必太等等。,28,溶液消毒滅菌劑優(yōu)缺點：,優(yōu)點,臨床上經(jīng)常使用 ，極其方便有效,缺點,醫(yī)用制品的生

14、產(chǎn)規(guī)模消毒滅菌較難實施,29,4.3.2 氣體滅菌,氣體滅菌常用的氣體有甲醛、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、?-丙內酯、溴甲烷、乙撐亞胺。 這些氣體對微生物的殺滅作用, 一般均歸因于其對酶、 其它蛋白質和核酸的官能團（-SH、-NH2、 -COOH、-OH）的烷基化作用。,30,缺點：其蒸汽的穿透性較差，滅菌時要求的相對濕度和溫度偏高；甲醛蒸汽具有刺激性；如有氯化氫存在，會形成致癌物質——雙氯甲基醚。,甲 醛,,是最早使用的

15、氣體滅菌劑之一,31,是一種高效廣譜滅菌劑，對細菌、芽胞、真菌、立克次氏體和病毒都有很好的殺滅效果。?-丙內酯蒸汽與細菌體起反應需要一定水分，其溶液才能通過細胞的類脂層起到殺菌作用，滅菌時相對濕度必須在75%以上才有較好效果；有毒性和致癌作用；主要用于：病毒疫苗、流感疫苗和狂犬疫苗的消毒， ?-丙內酯可水解為羥基丙酸，不再存在致癌性。,?-丙內酯,32,是醫(yī)院和工業(yè)上最常用的氣體滅菌劑, 對各種類型的微生物的殺滅能力都很強

16、，包括對細菌、結核菌、芽胞、真菌和病毒。殺滅芽胞的用藥量一般為殺滅細菌的2-6倍。能和多種基團起反應，是一種廣譜殺菌劑。,環(huán)氧乙烷,33,1) 作用原理: 環(huán)氧乙烷是一種非特異性烷基化學試劑，在一般溫度下能迅速同許多重要有機物質，包括氨基酸、蛋白質、核蛋白起化學反應。可作用于蛋白質的巰基、羥基、氨基和羧基，取代各基團上的氫原子，生成一種烷基化合物，從而阻止微生物酶的許多正常化學反應，使微生物新陳代謝發(fā)生障礙而死亡

17、。,34,2）穿透能力 環(huán)氧乙烷具有很強的穿透能力, 可以穿透紙張,棉布,聚乙烯薄膜,玻璃紙, 藥片等。 最理想的保護性包裝材料是聚乙烯薄膜和紙。因此, 被滅菌的物品可事先進行包裝, 滅菌后可以長期保存。 但對玻璃、 金屬等不能穿透。,35,3）影響因素： 濃度：環(huán)氧乙烷濃度增加, 則滅菌效果提高, 滅菌時間縮短。 實驗表明： 環(huán)氧乙烷濃度增加一倍,

18、 滅菌時間縮短一半。 滅菌時最小濃度為450毫克/升， 較高濃度為1000毫克/升.,36,溫度： 對環(huán)氧乙烷滅菌速度影響甚大。 溫度每增加 10 oC, 滅菌活性增加2.7倍。 實際使用溫度多在50-60oC。既保證有較高的滅菌活性，又不至于因溫度過高對材料產(chǎn)生不利影響.,37,相對濕度：環(huán)氧乙烷滅菌要取得滿意結果，相

19、 對濕度必須控制在30%-40%之間。 也是縮短滅菌時間的重要因素。滅菌時間：要依據(jù)使用的濃度,溫度,相對濕度 而定。一般情況下： 25oC 時，滅菌 6-12 小時； 50-60oC 時，滅菌 4 小時。,38,殘留量：環(huán)氧乙烷由于穿透力強消毒后必然會有

20、 部分殘留在材料的表面, 殘留量隨材料的 不同而有些差別。 其中天然橡膠，滌綸 樹脂很多;聚氨酯, 聚氯乙烯次之; 聚乙烯, 聚丙烯吸收最少。 滅菌后須將吸收的環(huán) 氧乙烷全部清除干凈，否則會引起不良

21、 后果。,39,研究報道高分子吸附環(huán)氧乙烷后引起：溶血性,細胞毒性,組織反應等, 以及用環(huán)氧乙烷消毒的人工腎作為血液透析引起典型的全身性變態(tài)性反應。 對醫(yī)藥制品, 滅菌后一般均需在真空下脫除環(huán)氧乙烷, 或置于空氣中以清除殘留的環(huán)氧乙烷, 存放時間依材料而定。 為了安全起見, 有的國家規(guī)定必須存放兩周后方可使用。,40,其它毒雜質： 環(huán)氧乙烷有滅菌時的毒性除了考慮其殘留量外, 還可能生成的其它毒雜質。 如環(huán)氧

22、乙烷在有氯存在下會生成氯乙醇。 當吸附有環(huán)氧乙烷的材料用生理鹽水沖洗時可能生成氯乙醇。 氯乙醇 細胞毒性、組織反應等。,,41,預防措施： 各國對滅菌后醫(yī)用制品中的環(huán)氧乙烷及其相關物質量有所限制。產(chǎn)品中殘留的環(huán)氧乙烷量： 法國規(guī)定,不應大2ppm; 丹麥規(guī)定不超過 5 ppm; 俄羅斯規(guī)定為 1ppm； 美國規(guī)定為幾個ppm至

23、數(shù)百ppm之間。,42,表二、環(huán)氧乙烷及有關化合物的最大允許值（PPM）,43,燃燒和爆炸：環(huán)氧乙烷是一種低沸點易燃化合物, 當觸及明火時會燃燒。 當空氣中的濃度超過3%時可能引起爆炸。因此, 在滅菌時多不采用純品, 實際應用時經(jīng)常采用環(huán)氧乙烷與惰性氣體(二氧化碳和氟代烴)的混合物。,44,4.4 生物醫(yī)學材料的輻射滅菌法,輻射滅菌法是生物醫(yī)用制品常采用的滅菌方法，特別適用于“一次性使用”的高分子制品。,45,紫外線滅菌裝置（日立公

24、司）,46,原理：電離輻射能使微生物產(chǎn)生廣泛的物理和生物效應。主要作用對象是細胞內的脫氧核糖核酸（DNA）分子。直接作用理論是假定輻射可使微生物中的脫氧核糖核酸發(fā)生誘導電離。間接作用理論認為，第一步是輻射能和介質間的相互作用產(chǎn)生自由基和活化分子，爾后在微生物的 DNA中誘發(fā)次級反應。,47,滅菌劑量： 通常以每克被照射物質吸收100爾格能量 為一個拉得(rad)計量。 方法： 1）? 射線： 如

25、放射性元素 60Co 或 137Cs所 輻射的射線。 2）加速器中的高能電子。,48,輻射消毒法的優(yōu)點: 穿透力強, 效果好, 可以在材料和器具包裝后再消毒； 可在常溫下進行，不必考慮材料耐熱問題；過程可以連續(xù)化自動化,可靠性高,大量生產(chǎn)（或成批進行）時經(jīng)濟效果好。,49,輻射消毒法的缺點: 1） 高分子材料經(jīng)輻射后依據(jù)其化學結構的不 同可能發(fā)生降解或交聯(lián)； 降解 分子量變小

26、 力學性質變差 交聯(lián) 分子量變大 三維網(wǎng)狀結構 2） 輻射對高分子的重要影響是顏色的變化, 輻射后材料可能變黃甚至完全變暗。,,,,,50,輻射消毒法對不同材料的影響:1. 聚乙烯: 耐輻射能力都很強。 2. 聚丙烯: 受輻射后會引起主鏈斷裂或起交聯(lián) 反應。 3. 烯烴共聚物: 苯乙烯-醋酸乙烯的共聚體及乙 烯-丙烯酸乙酯的共聚體

27、受輻射 后基本上沒有變化。,51,4. 聚苯乙烯: 聚苯乙烯是對輻照最穩(wěn)定的材料。 5. 聚甲基丙烯酸甲酯: 其板材和模塑料可以耐輻 照，但多次輻照容易引起老化。 6. 聚氯乙烯: 以一次輻照為好, 避免多次輻照。 7. 聚四氟乙烯: 不適用輻射消毒。,52,8. 聚酰胺(尼龍): 尼龍66或尼龍6可以多次輻照 是適宜用輻射消毒的材料。 9. 纖維素: 醋酸纖

28、維素可以輻射消毒。 10.橡膠: 聚氨酯橡膠最穩(wěn)定, 天然橡膠, 丁二 烯-苯乙烯橡膠 , 丁腈橡膠其次, 氯 丁橡膠, 丁基橡膠最差。,53,表三、橡膠的輻射敏感性,54,4.5 滅菌技術的發(fā)展,臨床使用的醫(yī)用制品性能千差萬別,對滅菌的要求也各不相同,因而滅菌與消毒技術繁多,至今還沒有一種方法能使用于所有產(chǎn)品和滿足各類操作條件的要求,一般只能根據(jù)具體情況選擇相應的滅菌方法。,現(xiàn)狀,55,高

29、壓蒸汽滅菌、環(huán)氧乙烷滅菌、電力輻射滅菌, 從殺滅微生物角度看, 他們的殺菌譜廣,滅菌可靠, 都能殺滅芽胞型微生物, 是比較理想的方法。但都存在問題, 如對材料的影響、消毒、費用以及環(huán)境問題等。,幾種方法比較,56,4.5.1 激光滅菌,激光已被成功的應用于醫(yī)學，例如，用它可以成功的進行外科手術，尤其是在血管豐富部位施行顯微外科手術，“激光刀”具有明顯優(yōu)點。,滅菌原理,由于激光具有巨大能量, 當被金屬表面反射后，其能量可能被附著與金屬表面

30、的生物組織吸收，結果導致生物組織蒸發(fā)。,57,利用10瓦的二氧化碳激光器對被枯草桿菌牙胞和梭狀桿菌芽胞污染的手術刀進行滅菌,只需要一分半到二分鐘即可達到完全滅菌目的。滅菌后的手術刀在37℃下培養(yǎng)21天,沒有發(fā)現(xiàn)任何細菌增殖。說明這種方法是可靠的。,58,激光滅菌法的缺點,激光滅菌法的優(yōu)點,簡便,快速,價格較貴,59,4.5.2 超聲協(xié)同滅菌,超聲波的臨床應用： 外科器械的常規(guī)清洗、 藥物霧化、 牙齒去垢、

31、 無損診斷與治療等。 超聲波消毒和滅菌是超聲技術最有意義的進展之一。,60,單純的超聲波,一般不能殺死微生物。 殺死微生物所需能量：數(shù)瓦/毫升， 超聲清洗機能量：數(shù)十瓦/立升。單獨使用化學消毒劑,滅菌時間偏長。 若輔以超聲波協(xié)同,滅菌效果可大大提高,它可以作為一種有力的協(xié)同工具，使某些殺菌劑的殺菌性能明顯增加。,61,例如,當對每毫升含有1000萬個枯草桿菌芽胞的懸浮體滅菌時：沒有超生協(xié)同,要完

32、全殺死芽胞, 在65℃條件下,用1%的酸性戊二醛約要十分鐘,不使用戊二醛,只單純使用超聲波, 即使30分鐘也難殺滅芽胞。若用2%戊二醛在25℃下滅菌, 使用250Khz的高頻超生協(xié)同,滅菌時間由180分鐘降至30分鐘。,62,滅菌時使用的超聲波頻率：可為高頻(100 kHZ 以上),也可為低頻(100 kHZ 以下)。 由于高頻超生消耗的能量大, 所以在實際中一般都 使用低頻。 超聲波協(xié)同滅菌術多在醫(yī)院使用的大

33、型超生 清洗器中進行,滅菌條件為35攝氏度下30分鐘。,63,協(xié)同滅菌使用的化學滅菌劑有； 醛類、 酚類、 季胺化合物或 氯化物等。 因為戊二醛的穩(wěn)定性好,其溶液對高分子材料結構無不良影響,因而應用得較為廣泛。,64,4.5.3 氣體等離子體滅菌,許多滅菌劑不能殺滅芽胞,因為芽胞的最外層芽胞殼是由含大量二硫磺(-s-s-)的類角蛋白質所組成,在相鄰的類角質蛋

34、白在多肽鏈間存在著主價交聯(lián)(二硫鍵)和次價交聯(lián)(氫鍵),類角質蛋白稀鹽水溶液或稀酸、稀堿溶液中均不溶解,所以說芽胞外殼是相當惰性的, 在芽胞不受外界侵擾起著重要作用。,65,只有改變這一多層外殼后才有可能進一步貫穿芽胞的內層與芽胞的皮層或原生質發(fā)生反應,這就需要選擇更加活潑有力的殺菌措施。 低溫等離子體可以做為一種理想的媒介物來該變細菌,霉菌和芽胞的保護層,因此可促進滅菌過程。用等離子進行材料表面的消毒滅菌也是十分有效的。,6

35、6,等離子體滅菌方法和原理： 把滅菌物品置于含有少量醛類物質的的低溫低壓等離子氣流中進行。在氣體放電過程中, 自由電子從外加磁場獲得能量,  在和中性離子碰撞時又將該能量發(fā)放出。在能量傳遞過程中可以導致許多高度活性的反應性產(chǎn)物,包括激發(fā)態(tài)的原子、分子、離子等改變芽胞外部的保護層結構,使得活性的醛類分子可以進入改變后的結構中,并誘發(fā)一系列的附加反應因而達到滅菌效果。,67,氣體等離子的殺菌的優(yōu)點： 作

36、用速度快,效果好,有時甚至可以在幾分鐘內完成,是一種安全,高效,快速的滅菌方法。 例如完全殺滅枯草桿菌菌株： 用熱滅菌法需要在150℃下滅菌60分鐘; 用環(huán)氧乙烷滅菌要在54℃下,濃度為600毫克/升,相對濕度50%時需滅菌2小時；,68,用等離子氣體滅菌； 在氣流80-100毫升/分、 甲醛流速10毫克/分、 電磁頻率為13.56 MHz、 滅菌室電磁功率密度0.015瓦