电子束及X射线医学灭菌技术

6/6电子束及X射线医学灭菌技术在医疗器械市场强劲增长的刺激下灭菌需求也随之高涨，使得各类灭菌方式层出不穷。大多数一次性医疗器械都由聚合物制成，只能承受适度的温升。数十年来，“低温”灭菌方法一直以环氧乙烷和伽马射线辐照两种技术为主流。由于市场担心这类方法的未来供应能力（无论是否合理）及其对全球灭菌产能所造成的潜在影响，再次点燃了人们寻求替代性技术的热情，尤其是电子束及X射线辐照灭菌技术。

自20世纪50年代以来，电子加速器开始广泛应用于各类行业，主要用于聚合物改性，如电缆绝缘体的聚乙烯交联。使用电子束对医疗器械进行灭菌可追溯到20世纪70年代。如今，不少主流医疗器械制造商都纷纷采用电子束加速器作为一种内部灭菌解决方案，同时将电子束辐照灭菌外包的意愿也日益浓厚。2011年，首个高功率X射线灭菌设施（现归STERIS所有）在瑞士投入运营。自2020年起，新投入运营的EB-X灭菌设施数量已超过了伽马灭菌设施。在美国（靠近德州达拉斯、马萨诸塞州诺斯伯乐、伊利诺伊州利伯蒂维尔）、德国、荷兰（芬洛）及泰国（春武里）都已或正在投建全新的X射线灭菌产能。

加速器作为电离性辐射源，相对于钴-60具有以下优势：

耐用电气设备，可从许多供应商处获得

可以暂停电离辐射发射

安全特性确保可轻松满足相关许可及监管要求

伽马辐照器特性:

机器结构十分复杂，备件预算高昂，且操作需要超高专业资质，通常需签订维护合同才能确保顺利使用

可即刻满负荷运转，仅需通过调整使用时间即可自如应对市场需求变化。机器处于空闲状态时不耗电

电子加速器

加速器向机器产生的电子施以不断增加的动能，使其以波束形式扫描以可控速度移动的物品，并通过速度调整辐射剂量。电子的加速方式以及产品在电子束中的暴露方式决定了机器类型。除技术要求之外，对用户而言，另一个关键因素是机器确保产品获得所需辐射剂量及剂量分布最终需要的能量。

电子束能量和功率是加速器的两大特性:

能量单位为兆电子伏特(MeV)或千电子伏特(keV)，而电子伏特是一个可换算为焦耳的能量单位。能量决定了光束穿透产品的距离，进而决定了灭菌效果的不均匀程度，对应的定量指标为最大与最小剂量的比率（剂量均匀性比率或DUR）。因此，对于特定产品和包装类型及密度，能量是决定灭菌产能的关键因素。一般来说，能量越高，机器、占地面积、所需的辐射屏障越大，投资成本越高。

对于特定的能量和目标产品，加速器吞吐量与功率(kW)成正比。系统能量越大，辐射特定剂量所需的时间越短。功率选择是一项关键决策，必须基于未来几年所需处理能力预测结果妥善选择。

电子加速器可用来产生两种电离辐射：电子束和X射线。金属靶材放置在加速器发射的电子束和产品之间，电子束击中靶材时就会产生X射线。大部分入射电子能量以热量形式耗散掉，仅小部分转化为X射线，这也解释了在超高功率、中等功率和高能加速器出现之前，X射线为什么未能成为商业可行的医疗器械灭菌方案。比较吸收剂量（每消耗一电能单位时物体所吸收的能量(kGy)），电子束显然是比X射线更有效的技术，但X射线较为广泛的产品处理范围和灵活性又让我们在实际选择时不得不作出取舍。

电子束还是X射线？亦或二者联用？

电子束处理时间极短，在几秒钟内即可提供伽马辐照几小时才能提供的灭菌剂量。这意味着，使用大功率电子束加速器可实现超高吞吐量。高剂量率带来的另一个好处是材料氧化时间超短，有助于最大限度地减少对某些聚合物的负面影响。

加速电子最大的短板是产品穿透能力低于伽玛射线或X射线光子，这是因为电子具有质量且带负电荷。尽管如此，由于电子束能量最高可达10MeV，因此可顺利应用于均匀包装的中低密度产品中，如纱布、医用窗帘、毛巾、绷带、伤口护理敷料、实验室器具、瓶子、瓶盖、容器、试管组、手术托盘、导管等。

对于仅需表面灭菌或（单个包装）厚度和密度足够低的项目，可以使用自屏蔽装置生成的低能(80-300keV)或中能（最高5MeV）电子进行直列式灭菌。在制药行业，全球有超过30个单位使用电子束进行无菌灌装。装有玻璃注射器的容器在电子束隧道中净化，确保填充区中的无菌区不受污染。最近还出现了一种使用脉冲电子束的新型直列式电子束杀菌技术。

超过一定包装尺寸或密度时，在规定的剂量范围内电子束灭菌在技术上将不再可行。X射线是辐射灭菌中一种不涉及放射性物质的替代方法。X射线由光子组成，传播和穿透特性非常类似伽马射线中的光子。其剂量分布与伽马辐射相当甚至有时超出，且处理时间更短。它的穿透和灭菌均匀性与伽马辐射相当甚至更佳，可对整个托盘进行灭菌。

对电子束和X射线的选择取决于包装的尺寸、密度、几何形状以及所规定最小和最大剂量之间的范围（要求达到的DUR比率）。

双重技术系统（电子束和X射线）的混合解决方案能够适应不同DUR公差的产品。双系统的优势在于灵活性，可对某些产品使用一种技术灭菌，对其他产品使用另一种技术进行灭菌。但双重系统难免以一种技术主导：或为具有X射线能力的电子束系统，或为具有电子束能力的X射线系统。因此，双重系统是一种折衷的解决方案，适用于需要灭菌的产品非常多样化时使用。

灭菌方式变更

医疗器械制造商所处的监管环境往往使他们变得保守。伽马辐射虽然不一定是最优选择，但人们对它更为熟悉且这一技术本身也更为简单，因此选择起来阻力更小——特别是对于那些重新验证成本过于昂贵的老式产品。即使在监管者层面，推进转型也可能因为缺乏对电子束、尤其是X射线的认知而受到阻碍。ISO11137-1标准对辐射灭菌的三种模式都进行了规定，但相对其他两种类型的电离辐射，伽马辐射还是被使用得多得多。在过去的三年里，各方行业参与者都在试图转变医疗器械制造商的观念。

在美国，由太平洋西北国家实验室(PNNL)运作的“TeamNablo”项目组织了一场涉及主要医疗器械制造商的行业合作，旨在填补不同类型电离辐射材料兼容性方面的知识空白(3)。2020年，伽玛和电子辐照小组总结了ENISO11137-1中规定的在辐射灭菌方式转型的规范要求，尤其是从伽马射线转为X射线时(4)。生物工艺系统联盟(BPSA)制定了一项测试方法，使许多经过伽马射线认证的数据也能充分应用于X射线(5)。国际辐射学会(IIA)发布了一份加速器买家指南，帮助制造商仅需投资决策(6)。美国医疗仪器促进协会(AAMI)将在2022年初发布标题为《辐射场所或模式之间的转换产品》的AAMITIR104标准。

结论

最近的发展清楚地表明，在现有灭菌方法中，基于加速器的电子束和X射线灭菌技术正变得越来越重要。这是多重外部因素叠加的结果，其中包括：对灭菌能力的需求增加、对已确立模式的前沿思考以及对灭菌能力风险管理的需求等。同时，这也是加速器技术进步和创新的结果。全新的