可降解聚酯医疗器械中环氧乙烷残留测定与解吸研究

马丽霞，王宪朋，朱爱臣，吴倩倩，董 浩，王传栋，王 勤，刘 阳

(山东省药学科学院 山东省医用高分子材料重点实验室， 山东 济南 250101)

聚乙醇酸(PGA)、聚乙醇酸三亚甲基碳酸酯(PGATMC)、聚碳酸酯(PC)等因具有可降解性及生物相容性，在医疗器械产品中得到广泛应用[1-3].医疗器械产品根据其生产及用途分无菌和非无菌医疗器械.目前，医疗器械灭菌方式有很多，如：湿热灭菌、干热灭菌、辐照灭菌、环氧乙烷灭菌等[4-7]，而辐照灭菌和环氧乙烷灭菌应用相对广泛.辐照灭菌具有无残留的优点，应用于很多无菌医疗器械生产中，但是辐照灭菌，由于高能量的输出，会导致可降解高分子链的断裂，材料降解，从而对器械的性能产生一定的影响.因此，在可降解材料类医疗器械灭菌工艺中受到一定的限制[8-10].环氧乙烷(EO)，常温下为无色气体，具有非常强的渗透和扩散能力，对细菌、芽孢、真菌、病毒等各种微生物都有杀灭作用，是一种广谱杀菌剂.其作用强而迅速，作用机制为与微生物蛋白质上的羧基、氨基、巯基和羟基发生烷基化反应，从而阻止微生物的正常功能，致使微生物死亡[11].环氧乙烷灭菌具有成本低、灭菌效果好、批量大、对器械破坏性小等优点，在医疗器械灭菌中广泛应用.但环氧乙烷是一种有毒气体，把微生物杀死的同时对人体也有毒害作用，它不仅具有急性毒性，而且还有致癌作用.急性中毒时，以恶心、呕吐、胸闷、气喘、头晕、咳嗽、眼刺激为临床表现，可能造成迟发性肺水肿、职业性慢性的伤害、自发性流产、癌症、白内障、接触性皮肤炎及神经精神方面的疾病[12-14].由此可见，经环氧乙烷灭菌的医疗器械，环氧乙烷残留量的检测非常重要，使用前一定要确保产品中的残留量在对人体无害的水平.

本文参考相关标准及文献[15-18]，建立了对PGA、PGATMC、PC(结构式如图1所示)三种不同材质器械中环氧乙烷残留量检测的方法，并对产品中残留的环氧乙烷进行解吸研究.

图1 EO、PC、PGA和PGATMC的结构Fig.1 Structures of EO, PC, PGA and PGATMC

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 6890N气相色谱仪(FID检测器)，Agilent 7697A型自动顶空进样器(美国，安捷伦)；ZKF B-2型真空干燥箱(上海树立)；BSA224S电子天平(德国，赛多利斯).

环氧乙烷标准工作液(如东神州化工，浓度10 g/L，水作溶剂)；纯化水(实验室自制)；产品A(PGA材质)，产品B(PGATMC材质)，产品C(PC材质)，产品A、B和C均为纸塑包装[14,19]，环氧乙烷灭菌，灭菌日期为2019年12月5日，灭菌后立即测试环氧乙烷残留量，记作0时刻的环氧乙烷残留量.

1.2 试验方法

1.2.1 环氧乙烷残留量测定方法

色谱条件：DB-624毛细管柱(30 m×0.530 mm，3.2 μm)；柱温：初始温度50 ℃，保持5 min，然后以10 ℃/min的升温速度升至100 ℃，保持5 min；进样口温度：150 ℃；检测器温度：200 ℃；载气：N2，流速3.0 mL/min；分流比为10∶1；顶空加热箱温度：60 ℃；定量阀温度：70 ℃；传输线温度：80 ℃；顶空瓶平衡时间：40 min；进样体积：1 mL.

对照溶液配制：用1 mL移液管精密量取环氧乙烷标准工作液1 mL，至100 mL量瓶中，水定容，摇匀，记作1号溶液.用0.5 mL移液管精密量取1号溶液0.2 mL，至10 mL量瓶中，水定容，摇匀，作为对照溶液.

样品溶液制备：取样品约1 g，剪成5 mm左右的小段，精密称定后，置于顶空瓶中，精密加水5 mL，密封摇匀，作为样品溶液.

1.2.2 环氧乙烷解吸方法

将经环氧乙烷灭菌的产品A、B和C分别置于实验室台面上自然通风解吸，并于7、14和30 d取样检测环氧乙烷残留量；

将产品置于真空干燥箱中，室温下真空解吸，于24、48 和72 h取样，测试环氧乙烷残留量；

将产品置于真空干燥箱中，80 ℃下真空解吸，于24、48和72 h取样，测试环氧乙烷残留量.

2 结果与讨论

2.1 环氧乙烷测试方法学研究

2.1.1 专属性

取空白水及环氧乙烷对照溶液各5 mL，分别置于顶空瓶中，密封，按1.2.1项条件进样，记录色谱图.结果如图2所示，a为空白水的气相色谱图，b为对照溶液的气相色谱图.从图2中可以看出，环氧乙烷在3.43 min出峰，空白水在此处无干扰.

图2 环氧乙烷气相色谱图Fig.2 GC of the ethylene oxide

2.1.2 线性范围与检测限

取1号溶液适量，用水稀释，制备浓度分别为1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、40.0、60.0和100.0 mg/L的线性溶液，按1.2.1项条件进样测试，记录色谱图.以浓度c对峰面积A进行线性回归，回归方程为：A=6.274 8c-0.332 1(R2=0.999 1，n=9).结果表明，环氧乙烷在1.0～100.0 mg/L的浓度范围内线性良好.以S/N≥3为检测限，环氧乙烷的检测限为0.1 mg/L.

2.1.3 重复性

取对照溶液，进样测试，连续进样6次，RSD为0.46%，表明重复性良好.

2.1.4 回收率

精密量取环氧乙烷标准工作液适量，加水稀释，配制成浓度为1.6、2.0和2.4 mg/L回收率对照溶液各3份.将未经环氧乙烷灭菌的产品剪碎放入9个顶空瓶中，分别精密量取三份上述溶液5 mL至上述顶空瓶中，作为回收率供试品溶液，按1.2.1项条件进样测试，记录色谱图，以峰面积按外标法计算.环氧乙烷加样回收率测试结果如表1所示.平均回收率达98.49%，RSD为0.90%.

表1 环氧乙烷加样回收率

2.2 不同材质产品环氧乙烷残留量

按1.2.1项条件检测产品A、B和C中EO残留量，并按照外标法以峰面积分别计算.结果显示，产品C环氧乙烷残留量最高，达310 μg/g，产品B次之，环氧乙烷残留量为221 μg/g，产品A的环氧乙烷残留量11.58 μg/g. 在GB 15980-1995一次性使用医疗用品卫生标准中规定[20]，一次性医疗用品产品经环氧乙烷灭菌或消毒出厂时，环氧乙烷残留量不大于10 μg/g，由此可见，三种不同材质的产品经环氧乙烷灭菌后，不经解吸，EO残留均不满足安全使用要求.

2.3 不同解吸方式对环氧乙烷残留量的影响

采用自然通风、真空和80 ℃下真空三种不同的解吸方式对产品中残留的环氧乙烷进行解吸，按照设计时间间隔取样，按1.2.1项下的色谱条件，检测产品中环氧乙烷残留量，结果见表2.

表2 不同解吸方式解吸不同时间环氧乙烷残留量

从表2中可以看出，自然通风解吸条件下，产品A需要7 d之后EO残留量满足安全使用限度，产品B需要近30 d才能安全使用，而产品C则需要更长的时间.室温真空条件下强制解吸，产品A解吸3 d满足安全要求，而产品B和C仍超过限度10倍以上.80 ℃下真空强制解吸24 h，产品A未检出EO，产品B和产品C各检出12和23 μg/g，解吸48 h，产品A、产品B和产品C的EO残留均能满足安全使用要求.

3 结论

PGA、PGATMC和PC三种材质的器械，经环氧乙烷灭菌后，采用顶空气相色谱法检测，PC材质的器械EO残留量最高，高达310 μg/g，PGATMC材质的器械次之，EO残留量为221 μg/g，PGA材质的器械EO残留量11.58 μg/g.三种不同材质的器械经环氧乙烷灭菌后，EO残留量均超过了一次性使用医疗用品安全使用限度的要求.

采用自然通风以及室温下真空和80 ℃下真空三种不同的解吸方式对三种材质的器械产品中残留的环氧乙烷进行解吸.PGA材质的器械自然解吸7 d后EO残留量满足安全使用限度，PGATMC需要自然解吸近30 d才能安全使用，而PC材质的则需要更长的解吸时间.室温下真空较自然通风可以节省一定的时间，但是效果仍不理想.80 ℃下真空解吸效果最好，强制解吸48 h，三种不同材质的器械EO残留均能满足安全使用的要求.

三种材料对环氧乙烷的吸附不同，相同条件下PC对环氧乙烷吸附量最大，PGA最小，PGATMC介于两者之间，这可能与三种聚酯的化学结构和状态有关.PGA为半结晶聚合物，其玻璃化转变温度在36～45 ℃之间，熔融温度约220 ℃，分子排列紧密[21-23]，在50 ℃，RH 50%条件下进行EO灭菌，EO分子很难进入PGA链段中，因此，EO残留量较低，而PC为非结晶聚合物[24]，分子排列松散，在高温高压高湿条件下，EO容易进入PC分子链段中，因此0时刻PC器械的EO残留量高.室温下PC分子链段冻结，进入分子链段中的EO不易解吸，而80 ℃时PC分子链段之间的作用力减弱，在真空条件下EO容易从PC分子间解吸.PTMC为无定形聚合物[25]，其玻璃化转变温度在-12 ℃附近，PGA链段中引入TMC链段，破坏了PGA链段的规整性，结晶能力大大降低，因此EO 残留量较PGA的高，但是由于PGATMC共聚物中仍有少量的结晶区存在，因此EO残留量较无规聚合物PC的略低.

本文建立了可降解聚酯医疗器械中环氧乙烷残留的检测方法，简单易操作.探寻了可降解聚酯中环氧乙烷的解吸方法，为该类材料的医疗器械安全使用提供了保障.