生物醫(yī)用材料系列生物醫(yī)學(xué)材料的消毒與滅菌

1、1,生物醫(yī)學(xué)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(xué)材料的熱滅菌法第三節(jié) 生物醫(yī)學(xué)材料的化學(xué)滅菌法第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)材料的輻射滅菌法第五節(jié) 滅菌技術(shù)的發(fā)展,2,病原菌污染,生物醫(yī)學(xué)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(xué)滅菌、輻射滅菌。,4,滅菌能達(dá)到消毒目的； 消毒達(dá)不到滅菌要求。 某些化學(xué)藥劑低濃度是消毒劑, 高濃度時是滅菌劑。無法嚴(yán)格確定微生物的致病性。,5,醫(yī)用制品用于人體，應(yīng)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(shí)驗(yàn)后，陽性率 < 1。滅菌和消毒無法嚴(yán)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(gòu)造簡單的低等生物, 一般由單細(xì)胞構(gòu)成，也有簡單的多細(xì)胞和沒有典型細(xì)胞形態(tài)的類型。 一切微生物包括病原菌和非病原菌： 如 細(xì)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(xué)品等抵抗能力強(qiáng), 因此常以殺滅芽胞作為評價(jià)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(nèi)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(xué)滅菌：時間分或小時； 電離輻射滅菌：拉得。,10,4.2 生物醫(yī)學(xué)材料的熱滅菌法,熱滅菌法是借助高溫使微生物細(xì)胞蛋白質(zhì)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(qiáng), 溫度高, 細(xì)胞原生質(zhì)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(jìn)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(guān)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(yīng)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(diǎn),,滅菌有效, 簡便, 經(jīng)濟(jì),缺點(diǎn),熱和濕氣會對一些材料的性質(zhì)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(jī)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(fù)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(yīng)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(yīng)工業(yè)規(guī)模的滅菌裝置，以適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展要求。,19,原理：在適當(dāng)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(jìn)行。 優(yōu)點(diǎn)：可以在干燥情況下對大規(guī)模的裝置進(jìn)行殺菌操作。 缺點(diǎn)：與高壓蒸汽法相比，殺滅效果稍差。 殺滅效

10、果：一般細(xì)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(shè)定的溫度、時間,,22,4.3 生物醫(yī)學(xué)材料的化學(xué)滅菌法,化學(xué)滅菌法是使化學(xué)藥品滲入到微生物的細(xì)胞內(nèi)與其反應(yīng)形成化合物, 影響蛋白質(zhì)、酶系統(tǒng)的生理活性, 破壞細(xì)胞的生理機(jī)能而導(dǎo)致細(xì)胞死亡,達(dá)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(zhì)沉淀劑。殺菌作用是由于重金屬離子易與細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)合而使之變性, 或者與酶的-SH基結(jié)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(xué)消毒滅菌劑,24,2. 醇類: 有乙醇和異丙醇等。 可以使蛋白質(zhì)變性、干擾微生物的新陳代謝，抑制細(xì)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(yīng)用最廣泛。 5. 氧雜環(huán)化合物: 環(huán)氧乙烷,環(huán)氧丙烷,?-丙內(nèi)酯等, 殺菌機(jī)制是由于對蛋白質(zhì)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(zhì)烷基化，還原氨基酸并使蛋白質(zhì)凝固而達(dá)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(xì)胞的滲透性，使菌體破壞并使蛋白質(zhì)變性。9. 表面活性劑: 這類物質(zhì)可加入培養(yǎng)基中影響微生物細(xì)胞的生長與分裂。10. 其它化學(xué)品: 包括酸、 堿、 洗必太等等。,28,溶液消毒滅菌劑優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn),臨床上經(jīng)常使用 ，極其方便有效,缺點(diǎn),醫(yī)用制品的生

14、產(chǎn)規(guī)模消毒滅菌較難實(shí)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(nèi)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(zhì)和核酸的官能團(tuán)（-SH、-NH2、 -COOH、-OH）的烷基化作用。,30,缺點(diǎn)：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(zhì)——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(xì)菌、芽胞、真菌、立克次氏體和病毒都有很好的殺滅效果。?-丙內(nèi)酯蒸汽與細(xì)菌體起反應(yīng)需要一定水分，其溶液才能通過細(xì)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(nèi)酯可水解為羥基丙酸，不再存在致癌性。,?-丙內(nèi)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(qiáng)

16、，包括對細(xì)菌、結(jié)核菌、芽胞、真菌和病毒。殺滅芽胞的用藥量一般為殺滅細(xì)菌的2-6倍。能和多種基團(tuán)起反應(yīng)，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(xué)試劑，在一般溫度下能迅速同許多重要有機(jī)物質(zhì)，包括氨基酸、蛋白質(zhì)、核蛋白起化學(xué)反應(yīng)?？勺饔糜诘鞍踪|(zhì)的巰基、羥基、氨基和羧基，取代各基團(tuán)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(xué)反應(yīng)，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(qiáng)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(hù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jié)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(qiáng)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(bào)道高分子吸附環(huán)氧乙烷后引起：溶血性,細(xì)胞毒性,組織反應(yīng)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(yīng)。 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(zhì)： 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(zhì)。 如環(huán)氧

22、乙烷在有氯存在下會生成氯乙醇。 當(dāng)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(xì)胞毒性、組織反應(yīng)等。,,41,預(yù)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(guān)物質(zhì)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(yīng)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(guān)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(diǎn)易燃化合物, 當(dāng)觸及明火時會燃燒。 當(dāng)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(shí)際應(yīng)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(xué)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(yīng)。主要作用對象是細(xì)胞內(nèi)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(dǎo)電離。間接作用理論認(rèn)為，第一步是輻射能和介質(zhì)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(yīng)。,47,滅菌劑量： 通常以每克被照射物質(zhì)吸收100爾格能量 為一個拉得(rad)計(jì)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(diǎn): 穿透力強(qiáng), 效果好, 可以在材料和器具包裝后再消毒； 可在常溫下進(jìn)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(jìn)行）時經(jīng)濟(jì)效果好。,49,輻射消毒法的缺點(diǎn): 1） 高分子材料經(jīng)輻射后依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不 同可能發(fā)生降解或交聯(lián)； 降解 分子量變小

26、 力學(xué)性質(zhì)變差 交聯(lián) 分子量變大 三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 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(qiáng)。 2. 聚丙烯: 受輻射后會引起主鏈斷裂或起交聯(lián) 反應(yīng)。 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(shù)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(shù)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(yīng)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(fèi)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)，例如，用它可以成功的進(jìn)行外科手術(shù)，尤其是在血管豐富部位施行顯微外科手術(shù)，“激光刀”具有明顯優(yōu)點(diǎn)。,滅菌原理,由于激光具有巨大能量, 當(dāng)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(jié)果導(dǎo)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(shù)刀進(jìn)行滅菌,只需要一分半到二分鐘即可達(dá)到完全滅菌目的。滅菌后的手術(shù)刀在37℃下培養(yǎng)21天,沒有發(fā)現(xiàn)任何細(xì)菌增殖。說明這種方法是可靠的。,58,激光滅菌法的缺點(diǎn),激光滅菌法的優(yōu)點(diǎn),簡便,快速,價(jià)格較貴,59,4.5.2 超聲協(xié)同滅菌,超聲波的臨床應(yīng)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(shù)最有意義的進(jìn)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(jī)能量：數(shù)十瓦/立升。單獨(dú)使用化學(xué)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(dāng)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(shí)際中一般都 使用低頻。 超聲波協(xié)同滅菌術(shù)多在醫(yī)院使用的大

33、型超生 清洗器中進(jìn)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(xué)滅菌劑有； 醛類、 酚類、 季胺化合物或 氯化物等。 因?yàn)槲於┑姆€(wěn)定性好,其溶液對高分子材料結(jié)構(gòu)無不良影響,因而應(yīng)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?yàn)檠堪淖钔鈱友堪麣な怯珊罅慷蚧?-s-s-)的類角蛋白質(zhì)所組成,在相鄰的類角質(zhì)蛋

34、白在多肽鏈間存在著主價(jià)交聯(lián)(二硫鍵)和次價(jià)交聯(lián)(氫鍵),類角質(zhì)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(dāng)惰性的, 在芽胞不受外界侵?jǐn)_起著重要作用。,65,只有改變這一多層外殼后才有可能進(jìn)一步貫穿芽胞的內(nèi)層與芽胞的皮層或原生質(zhì)發(fā)生反應(yīng),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(xì)菌,霉菌和芽胞的保護(hù)層,因此可促進(jìn)滅菌過程。用等離子進(jìn)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(zhì)的的低溫低壓等離子氣流中進(jìn)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(dǎo)致許多高度活性的反應(yīng)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(hù)層結(jié)構(gòu),使得活性的醛類分子可以進(jìn)入改變后的結(jié)構(gòu)中,并誘發(fā)一系列的附加反應(yīng)因而達(dá)到滅菌效果。,67,氣體等離子的殺菌的優(yōu)點(diǎn)： 作

36、用速度快,效果好,有時甚至可以在幾分鐘內(nèi)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