医用一次性防护服γ辐照灭菌工艺研究

崔 磊，郭丽莉，尹玉吉，王宏伟，王贵超，顾 俊，祝 军

(1.中国同辐股份有限公司，北京 100089；2.中国同位素与辐射行业协会，北京 100089；3.苏州中核华东辐照有限公司，江苏 苏州 215200)

新型冠状病毒肺炎疫情在全世界爆发对各国的防疫能力提出了巨大挑战，由于新型冠状病毒传染力强，在短期内需要大量医用一次性防护服(以下简称医用防护服)以保护医务人员和防疫人员的健康。合格的医用防护服在使用前必须经过有效的灭菌处理。以往医用防护服绝大部分采用环氧乙烷熏蒸灭菌，完成后需要在适合的温度和通风条件下解析7～14 d，否则会有环氧乙烷超标残留对人体和环境造成危害。因此环氧乙烷灭菌方法无法满足防疫对医用防护服紧迫需要。为保障疫情防控急需的医用防护服供给，工业和信息化部、国家药监局、国家卫生健康委等有关部门组织专家研究论证并经相关技术机构审核，联合颁布了《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》，该规范指导了辐照灭菌一次性医用防护服的工作，有效解决了防护服供应瓶颈问题。

辐照灭菌是利用γ射线、能量低于5 MeV的X射线或10 MeV以下电子束杀灭微生物的过程[1]。该方法是世界发达国家广泛应用的灭菌方法，是国际原子能机构重点推广的核技术应用领域之一。γ辐照灭菌具有节能、高效、无有害残留、不破坏包装、常温进行等诸多优点。一般装源量百万居里以上的大型商用γ辐照装置每天处理防护服的数量可达到5万件以上。

《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》为保障医用防护服的供给而紧急颁布，因此没有具体详细说明医用防护服辐照灭菌的工艺流程。为满足迫切需求，临时规范简略了医用防护服辐照灭菌剂量设定方法的选择和设定过程，降低了对无菌保证水平的要求为(SAL=10-3)，没有要求建立无菌保证水平达到(SAL=10-6)。临时规范没有提及市面上耐辐照性能较好的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)材料医用防护服，对于医用防护服材料辐照后效应的具体性能要求和检验方法也没有详细说明。因此，从医用防护服辐照灭菌剂量建立过程和其材料辐照后效应两方面，对PET材料的医用防护服进行γ辐照灭菌工艺研究，对于医用防护服辐照灭菌工作具有重要实践意义。

本文选取PET为主要材料的医用一次性防护服，其中一种有PU(聚氨酯)涂层，一种没有PU涂层，PU涂层主要是增强阻隔性能和保护作用, 涂层影响防护服的过滤性能、防水、沾湿特性、防止血液穿透等。使用苏州中核华东辐照有限公司BFT V型γ辐照装置对研究对象进行辐照灭菌剂量设定和验证，分别得出满足无菌保证水平(SAL=10-6)有PU涂层的防护服灭菌剂量和没有PU涂层的防护服灭菌剂量。明确了灭菌剂量建立程序，为医用防护服辐照灭菌工艺提供参考。同时验证了PU涂层对一次性医用防护服的灭菌剂量没有显著影响。分别对医用防护服PET材料样品以0 kGy、20.0 kGy、30.0 kGy和50.0 kGy剂量进行辐照，分析PET材料样品在一定剂量辐照后断裂强力变化规律。依据研究结果对医用一次性防护服γ辐照灭菌工艺提出建议。

1 实验材料与设备

1.1 主要仪器与装置

1.1.1主要实验仪器 洁净工作台(SW-CJ-2FD-1650)：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；隔水式恒温培养箱(GNP-9270)、霉菌培养箱(MJP-250)：上海精宏实验设备有限公司；紫外分光光度计(UV-2600)：日本岛津公司；高纯水装置(CXW-015)：苏州市创新气氛水处理有限公司。

1.1.2主要装置 实验采用的装置是由北京核二院比尼新技术有限公司设计的可装源活度200万Ci BFT V型γ辐照装置，该γ辐照装置实际装源量145万Ci，采用辊道输送和电动传输相结合，在辐照室内自动换层、换面，全自动实现一次辐照过程，射线效率最高可达到40%，日常生产吸收剂量不均匀度可控制在1.3以下。该γ辐照装置有配备专门用于样品高精度辐照的实验线，精确度可控制在靶吸收剂量的±10%以内，能实现剂量率为1 000 Gy/h定点辐照，可满足实验的需求。

1.2 主要材料与试剂

紧急物资医用防护服样品：由某公司提供，以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)为主材，分为有PU(聚氨酯)涂层和无PU涂层两种；无菌生理盐水洗脱液、聚山梨酯80、蛋白胨；胰酪大豆陈琼脂(TSA)、沙氏葡萄糖琼脂(SDA)；大豆酪蛋白消化物肉汤(SCDB)。

辐射剂量计：英国产Harwell红色4034剂量计，采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作，测试剂量范围5.0～50.0 kGy，吸光率测量变异系数小于2%。

2 实验方法

2.1 实验条件

本实验在辐照加工生产常规条件下进行：温度18～25 ℃，湿度40%～60%。

2.2 辐照灭菌工艺流程

国内有研究表明，PP(聚丙烯)材料受辐照后分子键断裂，产生游离自由基和过氧自由基，过氧自由基夺去PP分子链上的氢原子，形成氢过氧自由基，进一步反应造成了PP的降解[2]。实践经验也证实以PP无纺布为主材制作的医用防护服耐辐照性较差，超过20.0 kGy剂量辐照后，PP防护服材料可能出现横向断裂强力明显降低并低于标准要求的情况。国外有研究表明，PE材料比PP材料耐辐照性好，PET或PS(聚苯乙烯)耐辐照性能比PP材料和PE材料都要更好[3]。因此本研究以PET为主材的医用防护服作为研究对象。

医用防护服辐照工艺建立过程示于图1，首先检查医用防护服样品的完整性，观察样品表面有无破损情况。对所选医用防护服产品初始微生物指标进行测定，结合实际情况并依据指标测定结果选择辐照灭菌剂量确定方法，然后设计并实施相应的辐照工艺。待辐照工艺完成后，进行辐照后无菌效果确认和PET医用防护服材料辐照后性能评价，确保达到无菌保证水平要求，保证PET医用防护服材料性能辐照后仍满足标准要求，最后完成灭菌剂量设定，定期审核并维持该灭菌剂量。

2.3 初始微生物指标测试

2.3.1样品稀出物抑菌实验测试

1) 实验组。分别取3件无菌的医用防护服样品(每件样品取50 g)，在每件样品上接种不超过100 cfu(colony forming units，指单位体积中的细菌群落总数)的下列3种菌种：黑曲霉(ATCC16404)、枯草芽孢杆菌(ATCC6633)、白色念珠菌(ATCC10231)。在无菌条件下将上述样品分别放入400 mL无菌SCDB培养基中。

图1 医用一次性防护服辐照灭菌工艺建立过程

2) 阳性对照。分别将不超过100 cfu的黑曲霉菌(ATCC16404)、枯草芽孢杆菌(ATCC6633)、白色念珠菌(ATCC10231)直接接种到400 mL无菌SCDB培养基中；

3) 阴性对照。无菌SCDB培养基400 mL。

接种后的各样品分别置于培养箱中在(30±2) ℃条件下培养5 d，每天定时观察微生物生长状况并记录。

2.3.2回收率测试 使样品浸泡在洗脱液中，进行多次重复拍打洗脱振荡(2 800次/min)2 min，再取4 mL洗脱液，平均接种至两个平皿中，重复上述操作4次，最后一次向每个平皿注入15 mL TSA培养基覆盖，待凝固后在30～35 ℃温度下倒置培养72 h后计数。依据公式(1)，根据首次洗脱回收菌数与合计培养得到的菌数比值，计算得到微生物回收率。回收率的倒数为校正因子，校正因子用于修正测试中微生物无法从样品上移除的比例。

回收率(%)=洗脱1次/(洗脱1次+洗脱2次+洗脱3次+洗脱4次+琼脂覆盖)×100%

(1)

2.3.3生物负载测试 以无菌操作，分别从医用防护服样品的袖口、衣领、腋下、裤脚、腹部各剪取10 g样品，然后分别使用无菌生理盐水洗脱液100 mL进行洗脱，将各样品浸在洗脱液中，充分拍打振荡2 min。将4 mL洗脱液分别注入两个无菌平皿，每平皿2 mL，向平皿内注入15 mL TSA培养基。使洗脱液与培养基充分混匀，凝固后在30～35 ℃温度下倒置培养120 h后计数。依据公式(2)，计算每件产品总生物负载值：

生物负载水平校正后总平均值=生物负载水平总平均值×校正因子

(2)

2.4 断裂强力测试

以无纺布为材料(包括PP、PET等材料)的医用防护服在经过辐照灭菌后都会造成其物理性能发生变化，出现力学强力下降的现象，影响使用效果。有研究结果表明，PET无纺布材料耐辐照性较好[4]。依据所获得的无菌保证水平(SAL=10-3)和(SAL=10-6)的灭菌剂量数值，对防护服PET材料分别进行剂量为0 kGy(空白)、20.0 kGy、30.0 kGy和50.0 kGy的辐照实验，实验中每个剂量辐照5个样品。对每个剂量辐照后的实验样品进行纵向和横向断裂强力测量，删除5个实验样品纵向和横向断裂强力大于2倍标准差的异常值，再取平均值为最终实验结果值。

3 结果与讨论

3.1 初始微生物指标测试结果

3.1.1样品稀出物抑菌实验

医用防护服材料样品稀出物抑菌测试结果列于表1。

细菌和真菌抑菌性能测试中没有出现明显抑菌现象，因此，可采用将每件产品SIP(sample item portion，取样份额，当SIP小于1的时候，表示取整个样品的一部分进行测试)即取样50 g接种到400 mL的SCDB中，然后在(30±2) ℃条件下培养进行无菌测试。

3.1.2回收率 有、无PU涂层的两种医用防护服微生物回收率结果列于表2、表3，微生物回收率均高于50%，符合测试要求，回收率测试有效。

因为有PU涂层后，医用防护服材料的微生物附着能力变强，相对无涂层的医用防护服材料更难洗脱下来。因此有PU涂层的医用防护服材料的回收率平均值比无PU涂层的医用防护服材料的回收率平均值小。校正因子作为回收率平均值的倒数，有PU涂层的医用防护服材料的校正因子比无PU涂层的医用防护服材料校正因子大。

表1 医用一次性防护服材料样品抑菌测试

表2 有PU涂层医用一次性防护服微生物回收率测试

表3 无PU涂层医用一次性防护服微生物回收率测试

3.1.3生物负载测试结果 生物负载测试结果如表4、表5所示。有PU涂层医用防护服样品和无PU涂层医用防护服样品生物负载水平经过校正后，总平均值分别为31 185 cfu和37 699 cfu。

3.2 灭菌剂量设定方法选择与实验

医用防护服属于Ⅱ类医疗器械，对其防护安全性和有效性应当加以控制。特别在新冠疫情期间，要保证在抗疫第一线的医护工作人员能够使用安全有效的医用防护服。因此对于医用防护服辐照灭菌剂量设定方法要认真选择。使产品中菌落总数或指定菌种的数量达到无菌保证水平所需要的最低吸收剂量称为灭菌剂量，该剂量设定过高会对产品造成不必要的辐照损伤并造成辐照产能浪费，灭菌剂量设定过低则会导致产品灭菌失败[5]。

表4 有PU涂层医用一次性防护服生物负载水平结果

表5 无PU涂层医用一次性防护服生物负载水平结果

国际标准ISO11137-2中“医疗保健产品-辐照 第二部分的设定灭菌剂量”说明了三种辐照灭菌剂量设定方法，分别是：方法一，方法二，和VDmax方法[6]。

合理选择灭菌剂量设定方法一般要考虑以下几个因素：(1) 灭菌剂量设定所针对的产品批次；(2) 产品无菌保证水平(SAL)的要求；(3) 设定灭菌剂量实验所需要的样品数量；(4) 设定灭菌剂量实验中是否可以使用样品份额(SIP<1.0)；(5) 产品平均初始污染菌数量[7]。

此次防护服是单个产品批次，疫情期间防护服稀缺，因此在保证方法有效的前提下不宜采用方法二的大数量样品实验方式。同时，根据现有测试数据统计，以PET为主的医用防护服通常在洁净环境中生产，平均初始污染菌数量通常在10 000～50 000 cfu/件范围内，可以使用医用防护服样品份额SIP<1.0实验。医用防护服辐照灭菌后无菌保证水平目标要求为(SAL=10-6)。基于上述各因素，本设定灭菌剂量方案依据《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》要求并结合ISO 11137-2中的方法一进行设定灭菌剂量。具体参考ISO 11137-2医疗器械辐射灭菌的有效性确认和常规控制的要求第二部分，确定总平均初始污染菌数量后，查ISO 11137-2表5得到无菌保证水平(SAL=10-2)对应的验证剂量，并进行相应的验证剂量工作。

3.3 验证剂量辐照结果

分别从有PU涂层和无PU涂层产品的各自单个批次中选出100个单元产品的样本，使用苏州中核华东辐照有限公司的BFT Ⅴ型γ自动辐照装置进行验证剂量辐照。有PU涂层样品的验证剂量为15.9 kGy，所测实际吸收剂量范围在14.5～17.1 kGy，最大吸收剂量未超出验证剂量15.9 kGy的10%，最大吸收剂量与最少吸收剂量的算术平均值15.8 kGy不小于验证剂量的90%，因此以该实际吸收剂量作为有PU涂层样品的验证剂量实验可接受。同样，无PU涂层样品验证剂量为16.2 kGy，所测实际吸收剂量范围在15.1～17.5 kGy，最大吸收剂量未超出验证剂量16.2 kGy的10%，最大吸收剂量与最小吸收剂量的算术平均值16.3 kGy不小于验证剂量的90%，因此以该实际吸收剂量作为无PU涂层样品的验证剂量实验可接受。

依据ISO 11737-2医疗器械灭菌—微生物学方法—第2部分：灭菌程序建立、验证和保持过程中的无菌实验。取有PU和无PU涂层样品各100件以无菌操作，将相应验证剂量下辐照后的样品，打开包装，将样品SIP分别移至400 mL大豆酪蛋白物液体培养基SCDB中，在(30±2) ℃条件下培养14 d，观察结果。最终，经过14 d的培养，两种样品无菌实验阳性数为0，即阳性数不超过2个，结果可以接受，剂量验证通过。无菌检测依照前述验证的方法进行，产品未出现明显抑菌性，无菌实验的结果均为阴性，且阴性对照为阴性结果，阳性对照为阳性结果，无菌实验结果有效。

3.4 设定灭菌剂量

验证剂量实验中的实际吸收剂量在可接受不均匀度范围内，无菌实验阳性数不超过2，剂量验证可以接受。查ISO 11137-2表5，当无菌保证水平(SAL=10-6)时，有PU涂层和无PU涂层产品的灭菌剂量为30.6 kGy和30.8 kGy(设定SAL为10-6灭菌剂量应是整个单元产品，即SIP=1)。在随后的常规辐射灭菌过程中，应通过剂量计监测，证明每一个产品受到的最小吸收剂量能够达到相应的灭菌剂量，使灭菌保证水平为(SAL=10-3)或(SAL=10-6)，具体结果列于表6。

表6 设定医用一次性防护服灭菌剂量

3.5 断裂强力指标测试结果

医用防护服PET材料辐照后断裂强力测试结果列于表7。PET防护服材料未辐照前纵向断裂强力为1 467.5 N，横向断裂强力为691.6 N，都高于国家标准《医用一次性防护服技术要求》(GB 19082-2009)所要求的断裂强力应不小于45 N[8]。测试结果表明防护服PET材料样品经过20.0 kGy、30.0 kGy和50.0 kGy剂量辐照后其断裂强力依然符合GB 19082-2009要求。

表7 医用防护服PET材料辐照后断裂强力测试结果

图2 医用防护服PET材料辐照后断裂强力测试结果

如图2所示，随着剂量的增加，医用防护服PET材料的纵向断裂强力在剂量为20.0 kGy的时候数值有所下降，然后在剂量为30.0 kGy时略有上升，然后剂量为50.0 kGy时又略有下降。在0～50.0 kGy剂量范围内，对医用防护服PET材料的几乎没有影响。样品的纵向断裂强力数值明显高于横向断裂强力数值，总体都明显大于45 N的标准要求。

上述实验结果验证了PET为主材的医用防护服可以实现灭菌保证水平(SAL=10-3)和(SAL=10-6)的灭菌剂量的辐照后，其断裂强力性能满足标准要求。在一定程度上证实了PET防护服材料耐辐照性能。

3.6 灭菌剂量的维持

产品建立灭菌剂量后，该灭菌剂量的持续有效性需要通过剂量审核进行确认，周期一般为每3个月一次。环境、生产控制的回顾检查，以及生物负载的测试应包含在灭菌剂量审核过程之中协同进行。审核过程中提出的措施要应用于待辐照产品族中的所有产品。如果回顾检查发现辐照质量控制上的不足，应采取适当的措施[9]。如果剂量审核失败，需要重新建立灭菌剂量，失败的原因应当调查并得到纠正。作为调查的一部分，应当考虑到在之前剂量审核失败的灭菌剂量下加工的各批次产品的影响，并应对它们能否继续使用进行风险评估。

4 结论

在《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》指导下的辐照技术对解决新冠防疫工作所需医用防护服的消毒灭菌生产瓶颈起到关键作用。因为疫情紧迫在短期内需要辐照灭菌处理大量的医用防护服。因此在指标要求上进行了论证并合理下降。临时规范中要求无菌保证水平(SAL=10-3)并没有达到(SAL=10-6)的要求。这主要是医用防护服材料耐辐照性能有待研究论证，所以在辐照灭菌剂量上也相对保守。同时临时规范在应急情况下颁布，对医用防护服材料和辐照工艺没有全面和详细论述。通过对基于PET材料的有PU涂层和无PU涂层的两种医用防护服样品辐照灭菌剂量过程建立的研究，总结了医用防护服灭菌剂量建立的方法，建立了无菌保证水平(SAL=10-6)的灭菌剂量，说明有无PU涂层对于防护服生物负载水平没有明显影响，因此对于灭菌剂量大小也没有明显影响。依据灭菌剂量约为20 kGy(SAL=10-3)和30 kGy(SAL=10-6)的结果，分别对PET材料进行20.0 kGy、30.0 kGy、50.0 kGy剂量辐照实验，结果证实上述剂量对PET材料断裂强力没有明显影响，在50.0 kGy剂量辐照后断裂强力完全满足国家标准GB 19082-2009的要求。初步确定了PET医用防护服材料的耐辐照性能。研究结果证明所建立的以PET为主材的医用防护服辐照工艺可行。

相较于传统环氧乙烷灭菌，采用辐照技术在灭菌周期、环境保护、效率效果等方面均有显著优势，但是由于制作医用防护服的材料不同，各种材料的辐照后效应有明显区别。因为对医用防护服的防护性能的严格要求，所以需要进一步针对不同的医用防护服材料进行更深入的研究，通过大量的辐照实验和老化实验论证各种医用防护服材料的辐照效应，在确保达到辐照灭菌效果后，其本身防护性能不被破坏，仍然满足标准要求。辐照加工企业，应针对辐照医用防护服的特点，不断提升γ辐照装置的技术水平，同时优化辐照工艺，在满足辐照质量的前提下，降低辐照医用防护服的成本，充分发挥γ辐照技术的优势，更好发挥其在消毒灭菌领域中的重要作用。