1、1,生物医学材料的消毒与灭菌,第一节 微生物的灭杀第二节 生物医学材料的热灭菌法第三节 生物医学材料的化学灭菌法第四节 生物医学材料的辐射灭菌法第五节 灭菌技术的发展,2,病原菌污染,生物医学材料及其制品,与人体接触,病原菌增殖,局部及全身疾患,3,消毒: 指杀灭(破坏)非芽胞型和增殖状态 的致病微生物的过程.灭菌: 指杀灭物品中一切微生物的过程。 方法有三种: 热灭菌、化学灭菌、辐射灭菌。,4,灭菌能达到消毒目的； 消毒达不到灭菌要求。 某些化学药剂低浓度是消毒剂, 高浓度时是灭菌剂。无法严格确定微生物的致病性。,5,医用制品用于人体，应属灭菌处理； 一般医用外科制品灭菌后要求： 芽胞存活率
2、低于10 -6，即100万次无菌实验后，阳性率 1。灭菌和消毒无法严格区别，统称“消毒”。,6,4.1 微生物的灭杀,微生物是一群体形微小、构造简单的低等生物, 一般由单细胞构成，也有简单的多细胞和没有典型细胞形态的类型。 一切微生物包括病原菌和非病原菌： 如 细菌、放射菌、真菌、芽胞, 病毒、立克次氏体等。,7,芽胞是某些微生物在其生命周期中的正常休眠阶段, 其耐杀灭性要比增殖状态高许多倍。用消毒方法不能杀灭芽胞, 肝炎病毒等。 由于芽胞膜致密耐热, 对化学品等抵抗能力强, 因此常以杀灭芽胞作为评价灭菌效果的依据。,8,灭菌过程中，杀灭微生物的速率通常与微生物的浓度或单位体积内微生物的数目成
3、正比。 1 N0 K= In t Nt t: 灭菌时间；N0 ：灭菌前原始微生物数目；Nt：灭菌后存活的微生物数目。,9,杀灭微生物的速率的另一种表示法是用“1/10减少时间”的 D值 来表示，即杀灭90%微生物所需要的时间，其为速度常数的倒数。 D值单位： 热化学灭菌：时间分或小时； 电离辐射灭菌：拉得。,10,4.2 生物医学材料的热灭菌法,热灭菌法是借助高温使微生物细胞蛋白质凝固。 主要灭菌法： 高压蒸汽灭菌法； 干热法； 火焰法 以火焰中加热为根据的杀灭微生物的方法。,11,高压蒸汽灭菌法由于在加压下蒸汽的穿透性有所增强, 温度高, 细胞原生质含水量高, 变性凝固更容易发生。 高压蒸汽
4、灭菌是热力灭菌中使用最普遍, 效果最好, 最可靠的一种灭菌方法。 高压蒸汽灭菌法在专门的高压蒸汽灭菌器中进行（如高压锅）。,高压蒸汽灭菌法,12,图1：桌上型高压灭菌锅（台湾颐和）,13,图2：全自动微电脑蒸汽消毒炉,14,灭菌温度越高,灭菌效果越好。高压消毒时间与温度的关系是:115 oC, 0.7千克/厘米2表压, 30分钟; 121 oC, 1千克/厘米2表压, 20分钟; 126 oC, 1.4千克/厘米2表压, 15分钟.,15,高压蒸汽灭菌温度受压力控制，压力增高， 温度增高。 高压蒸汽灭菌应考虑: 1. 热灭杀时间； 2. 热力穿透时间 （包装大小、安放位置等）； 3. 安全时间
5、。,16,高压蒸汽法对材料灭菌, 要求材料至少要能耐受 115 oC 以上 的高温.适用于高压蒸汽消毒的高分子材料有: 聚丙烯, 尼龙, 硅橡胶, 天然橡胶, 聚四氟乙烯, 聚三氟氯乙烯, 氟乙烯丙烯共聚物, 聚碳酸酯, 聚对苯二甲酸乙二醇酯, 环氧树脂等。其他高分子材料大都不适用.,17,特点,灭菌有效, 简便, 经济,缺点,热和湿气会对一些材料的性质产生明显的影响,如: 超过高分子材料的玻璃化温度, 会引起高分子形状和表面的改变, 因而会影响其机械性能及生物相容性等性能； 一些硅橡胶-低温各同性碳的复合制品, 灭菌后其抗凝血性能有所下降；医用高分子材料制作的电子元件和精密器件不宜使用高压蒸
6、汽灭菌；,18,重要的是, 这种灭菌方法不能适应工业规模高分子制品的灭菌要求。灭菌后的产品不宜长期保存, 因此需要开展灭菌方法的研究和建立相应工业规模的灭菌装置，以适应生物医学材料的发展要求。,19,原理：在适当温度的干热空气中加热，杀灭存在的微生物。 对象：玻璃制品，磁制品，金属制品等，在160 190 的温度进行。 优点：可以在干燥情况下对大规模的装置进行杀菌操作。 缺点：与高压蒸汽法相比，杀灭效果稍差。 杀灭效果：一般细菌和真菌是能被杀灭的 ,然而在孢子形成菌里面，即使 300 ， 也有30%侥幸 , 所以要注意。,干热法,20,图3：干热灭菌器,21,表一、通常设定的温度、时间,22,
7、4.3 生物医学材料的化学灭菌法,化学灭菌法是使化学药品渗入到微生物的细胞内与其反应形成化合物, 影响蛋白质、酶系统的生理活性, 破坏细胞的生理机能而导致细胞死亡,达到灭菌效果。 两种类型的消毒灭菌剂： 1.液体与固体的水溶液； 2.气体。,23,1.重金属及其化合物: 主要包括汞、银、铜重金属盐类, 都是蛋白质沉淀剂。杀菌作用是由于重金属离子易与细胞蛋白质结合而使之变性, 或者与酶的-SH基结合而使酶失去活性。,4.3.1 临床及制品生产中经常使用的 化学消毒灭菌剂,24,2. 醇类: 有乙醇和异丙醇等。 可以使蛋白质变性、干扰微生物的新陈代谢，抑制细菌繁殖。 3. 过氧化物: 有过氧化氢、
8、臭氧、过氧乙酸和过氧碳酸等。,25,4. 卤族元素及其化合物: 有氯和碘化合物, 其中氯化合物应用最广泛。 5. 氧杂环化合物: 环氧乙烷,环氧丙烷,-丙内酯等, 杀菌机制是由于对蛋白质分子烷基化作用, 干扰微生物酶的正常代谢而使之死亡。,26,6. 醛类: 常用的有甲醛和戊二醛, 它们可以使蛋白质烷基化，还原氨基酸并使蛋白质凝固而达到杀菌目的, 也是一种临床常用的消毒和灭菌方法。7. 酚和酚衍生物： 消毒剂中种类最多的一类。包括石炭酸、煤酚皂。,27,8. 季氨化合物: 有新洁尔灭, 度米芬, 消毒净等。 主要是改变细胞的渗透性，使菌体破坏并使蛋白质变性。9. 表面活性剂: 这类物质可加入培
9、养基中影响微生物细胞的生长与分裂。10. 其它化学品: 包括酸、 碱、 洗必太等等。,28,溶液消毒灭菌剂优缺点：,优点,临床上经常使用 ，极其方便有效,缺点,医用制品的生产规模消毒灭菌较难实施,29,4.3.2 气体灭菌,气体灭菌常用的气体有甲醛、环氧乙烷、环氧丙烷、-丙内酯、溴甲烷、乙撑亚胺。 这些气体对微生物的杀灭作用, 一般均归因于其对酶、 其它蛋白质和核酸的官能团（-SH、-NH2、 -COOH、-OH）的烷基化作用。,30,缺点：其蒸汽的穿透性较差，灭菌时要求的相对湿度和温度偏高；甲醛蒸汽具有刺激性；如有氯化氢存在，会形成致癌物质双氯甲基醚。,甲 醛,是最早使用的气体灭菌剂之一,3
10、1,是一种高效广谱灭菌剂，对细菌、芽胞、真菌、立克次氏体和病毒都有很好的杀灭效果。-丙内酯蒸汽与细菌体起反应需要一定水分，其溶液才能通过细胞的类脂层起到杀菌作用，灭菌时相对湿度必须在75%以上才有较好效果；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， -丙内酯可水解为羟基丙酸，不再存在致癌性。,-丙内酯,32,是医院和工业上最常用的气体灭菌剂, 对各种类型的微生物的杀灭能力都很强，包括对细菌、结核菌、芽胞、真菌和病毒。杀灭芽胞的用药量一般为杀灭细菌的2-6倍。能和多种基团起反应，是一种广谱杀菌剂。,环氧乙烷,33,1) 作用原理: 环氧乙烷是一种非特异性烷基化学试剂，在一般
11、温度下能迅速同许多重要有机物质，包括氨基酸、蛋白质、核蛋白起化学反应。可作用于蛋白质的巯基、羟基、氨基和羧基，取代各基团上的氢原子，生成一种烷基化合物，从而阻止微生物酶的许多正常化学反应，使微生物新陈代谢发生障碍而死亡。,34,2）穿透能力 环氧乙烷具有很强的穿透能力, 可以穿透纸张,棉布,聚乙烯薄膜,玻璃纸, 药片等。 最理想的保护性包装材料是聚乙烯薄膜和纸。因此, 被灭菌的物品可事先进行包装, 灭菌后可以长期保存。 但对玻璃、 金属等不能穿透。,35,3）影响因素： 浓度：环氧乙烷浓度增加, 则灭菌效果提高, 灭菌时间缩短。 实验表明： 环氧乙烷浓度增加一倍, 灭菌时间缩短一半。 灭菌时最
12、小浓度为450毫克/升， 较高浓度为1000毫克/升.,36,温度： 对环氧乙烷灭菌速度影响甚大。 温度每增加 10 oC, 灭菌活性增加2.7倍。 实际使用温度多在50-60oC。既保证有较高的灭菌活性，又不至于因温度过高对材料产生不利影响.,37,相对湿度：环氧乙烷灭菌要取得满意结果，相 对湿度必须控制在30%-40%之间。 也是缩短灭菌时间的重要因素。灭菌时间：要依据使用的浓度,温度,相对湿度 而定。一般情况下： 25oC 时，灭菌 6-12 小时； 50-60oC 时，灭菌 4 小时。,38,残留量：环氧乙烷由于穿透力强消毒后必然会有 部分残留在材料的表面, 残留量随材料的 不同而有些
13、差别。 其中天然橡胶，涤纶 树脂很多;聚氨酯, 聚氯乙烯次之; 聚乙烯, 聚丙烯吸收最少。 灭菌后须将吸收的环 氧乙烷全部清除干净，否则会引起不良 后果。,39,研究报道高分子吸附环氧乙烷后引起：溶血性,细胞毒性,组织反应等, 以及用环氧乙烷消毒的人工肾作为血液透析引起典型的全身性变态性反应。 对医药制品, 灭菌后一般均需在真空下脱除环氧乙烷, 或置于空气中以清除残留的环氧乙烷, 存放时间依材料而定。 为了安全起见, 有的国家规定必须存放两周后方可使用。,40,其它毒杂质： 环氧乙烷有灭菌时的毒性除了考虑其残留量外, 还可能生成的其它毒杂质。 如环氧乙烷在有氯存在下会生成氯乙醇。 当吸附有环氧
14、乙烷的材料用生理盐水冲洗时可能生成氯乙醇。 氯乙醇 细胞毒性、组织反应等。,41,预防措施： 各国对灭菌后医用制品中的环氧乙烷及其相关物质量有所限制。产品中残留的环氧乙烷量： 法国规定,不应大2ppm; 丹麦规定不超过 5 ppm; 俄罗斯规定为 1ppm； 美国规定为几个ppm至数百ppm之间。,42,表二、环氧乙烷及有关化合物的最大允许值（PPM）,43,燃烧和爆炸：环氧乙烷是一种低沸点易燃化合物, 当触及明火时会燃烧。 当空气中的浓度超过3%时可能引起爆炸。因此, 在灭菌时多不采用纯品, 实际应用时经常采用环氧乙烷与惰性气体(二氧化碳和氟代烃)的混合物。,44,4.4 生物医学材料的辐射
15、灭菌法,辐射灭菌法是生物医用制品常采用的灭菌方法，特别适用于“一次性使用”的高分子制品。,45,紫外线灭菌装置（日立公司）,46,原理：电离辐射能使微生物产生广泛的物理和生物效应。主要作用对象是细胞内的脱氧核糖核酸（DNA）分子。直接作用理论是假定辐射可使微生物中的脱氧核糖核酸发生诱导电离。间接作用理论认为，第一步是辐射能和介质间的相互作用产生自由基和活化分子，尔后在微生物的 DNA中诱发次级反应。,47,灭菌剂量： 通常以每克被照射物质吸收100尔格能量 为一个拉得(rad)计量。 方法： 1） 射线： 如放射性元素 60Co 或 137Cs所 辐射的射线。 2）加速器中的高能电子。,48,
16、辐射消毒法的优点: 穿透力强, 效果好, 可以在材料和器具包装后再消毒； 可在常温下进行，不必考虑材料耐热问题；过程可以连续化自动化,可靠性高,大量生产（或成批进行）时经济效果好。,49,辐射消毒法的缺点: 1） 高分子材料经辐射后依据其化学结构的不 同可能发生降解或交联； 降解 分子量变小 力学性质变差 交联 分子量变大 三维网状结构 2） 辐射对高分子的重要影响是颜色的变化, 辐射后材料可能变黄甚至完全变暗。,50,辐射消毒法对不同材料的影响:1. 聚乙烯: 耐辐射能力都很强。 2. 聚丙烯: 受辐射后会引起主链断裂或起交联 反应。 3. 烯烃共聚物: 苯乙烯-醋酸乙烯的共聚体及乙 烯-丙
17、烯酸乙酯的共聚体受辐射 后基本上没有变化。,51,4. 聚苯乙烯: 聚苯乙烯是对辐照最稳定的材料。 5. 聚甲基丙烯酸甲酯: 其板材和模塑料可以耐辐 照，但多次辐照容易引起老化。 6. 聚氯乙烯: 以一次辐照为好, 避免多次辐照。 7. 聚四氟乙烯: 不适用辐射消毒。,52,8. 聚酰胺(尼龙): 尼龙66或尼龙6可以多次辐照 是适宜用辐射消毒的材料。 9. 纤维素: 醋酸纤维素可以辐射消毒。 10.橡胶: 聚氨酯橡胶最稳定, 天然橡胶, 丁二 烯-苯乙烯橡胶 , 丁腈橡胶其次, 氯 丁橡胶, 丁基橡胶最差。,53,表三、橡胶的辐射敏感性,54,4.5 灭菌技术的发展,临床使用的医用制品性能千
18、差万别,对灭菌的要求也各不相同,因而灭菌与消毒技术繁多,至今还没有一种方法能使用于所有产品和满足各类操作条件的要求,一般只能根据具体情况选择相应的灭菌方法。,现状,55,高压蒸汽灭菌、环氧乙烷灭菌、电力辐射灭菌, 从杀灭微生物角度看, 他们的杀菌谱广,灭菌可靠, 都能杀灭芽胞型微生物, 是比较理想的方法。但都存在问题, 如对材料的影响、消毒、费用以及环境问题等。,几种方法比较,56,4.5.1 激光灭菌,激光已被成功的应用于医学，例如，用它可以成功的进行外科手术，尤其是在血管丰富部位施行显微外科手术，“激光刀”具有明显优点。,灭菌原理,由于激光具有巨大能量, 当被金属表面反射后，其能量可能被附
19、着与金属表面的生物组织吸收，结果导致生物组织蒸发。,57,利用10瓦的二氧化碳激光器对被枯草杆菌牙胞和梭状杆菌芽胞污染的手术刀进行灭菌,只需要一分半到二分钟即可达到完全灭菌目的。灭菌后的手术刀在37下培养21天,没有发现任何细菌增殖。说明这种方法是可靠的。,58,激光灭菌法的缺点,激光灭菌法的优点,简便,快速,价格较贵,59,4.5.2 超声协同灭菌,超声波的临床应用： 外科器械的常规清洗、 药物雾化、 牙齿去垢、 无损诊断与治疗等。 超声波消毒和灭菌是超声技术最有意义的进展之一。,60,单纯的超声波,一般不能杀死微生物。 杀死微生物所需能量：数瓦/毫升， 超声清洗机能量：数十瓦/立升。单独使
20、用化学消毒剂,灭菌时间偏长。 若辅以超声波协同,灭菌效果可大大提高,它可以作为一种有力的协同工具，使某些杀菌剂的杀菌性能明显增加。,61,例如,当对每毫升含有1000万个枯草杆菌芽胞的悬浮体灭菌时：没有超生协同,要完全杀死芽胞, 在65条件下,用1%的酸性戊二醛约要十分钟,不使用戊二醛,只单纯使用超声波, 即使30分钟也难杀灭芽胞。若用2%戊二醛在25下灭菌, 使用250Khz的高频超生协同,灭菌时间由180分钟降至30分钟。,62,灭菌时使用的超声波频率：可为高频(100 kHZ 以上),也可为低频(100 kHZ 以下)。 由于高频超生消耗的能量大, 所以在实际中一般都 使用低频。 超声波
21、协同灭菌术多在医院使用的大型超生 清洗器中进行,灭菌条件为35摄氏度下30分钟。,63,协同灭菌使用的化学灭菌剂有； 醛类、 酚类、 季胺化合物或 氯化物等。 因为戊二醛的稳定性好,其溶液对高分子材料结构无不良影响,因而应用得较为广泛。,64,4.5.3 气体等离子体灭菌,许多灭菌剂不能杀灭芽胞,因为芽胞的最外层芽胞壳是由含大量二硫磺(-s-s-)的类角蛋白质所组成,在相邻的类角质蛋白在多肽链间存在着主价交联(二硫键)和次价交联(氢键),类角质蛋白稀盐水溶液或稀酸、稀碱溶液中均不溶解,所以说芽胞外壳是相当惰性的, 在芽胞不受外界侵扰起着重要作用。,65,只有改变这一多层外壳后才有可能进一步贯穿
22、芽胞的内层与芽胞的皮层或原生质发生反应,这就需要选择更加活泼有力的杀菌措施。 低温等离子体可以做为一种理想的媒介物来该变细菌,霉菌和芽胞的保护层,因此可促进灭菌过程。用等离子进行材料表面的消毒灭菌也是十分有效的。,66,等离子体灭菌方法和原理： 把灭菌物品置于含有少量醛类物质的的低温低压等离子气流中进行。在气体放电过程中, 自由电子从外加磁场获得能量, 在和中性离子碰撞时又将该能量发放出。在能量传递过程中可以导致许多高度活性的反应性产物,包括激发态的原子、分子、离子等改变芽胞外部的保护层结构,使得活性的醛类分子可以进入改变后的结构中,并诱发一系列的附加反应因而达到灭菌效果。,67,气体等离子的
23、杀菌的优点： 作用速度快,效果好,有时甚至可以在几分钟内完成,是一种安全,高效,快速的灭菌方法。 例如完全杀灭枯草杆菌菌株： 用热灭菌法需要在150下灭菌60分钟; 用环氧乙烷灭菌要在54下,浓度为600毫克/升,相对湿度50%时需灭菌2小时；,68,用等离子气体灭菌； 在气流80-100毫升/分、 甲醛流速10毫克/分、 电磁频率为13.56 MHz、 灭菌室电磁功率密度0.015瓦/立方厘米、 压力0.5毫米汞柱下 10分钟即可达到满意的灭菌效果。,69,等离子体灭菌优点: 等离子体灭菌温度低,甲醛用量少,对器件没有腐蚀性和残存毒性,所以特别是用于热敏感的高分子材料,也适用于金属或玻璃及高分子材料制成的细小管线及复杂器件。是很有发展前景的经济有效的灭菌方法。,
