医疗器械中环氧乙烷灭菌残留物的来源分析

【作 者】刘柏东，贺伟罡，陈敏

国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京市，100081

0 引言

医疗器械是临床活动的载体，通过与人体直接或间接接触，实现其医疗用途。许多医疗器械在临床使用前必须经过灭菌才能保证安全性，灭菌的过程直接影响到人体生命安全。因此，对医疗器械进行灭菌是非常重要的环节。目前，环氧乙烷灭菌是医疗器械使用前的灭菌控制环节最常用的方式。环氧乙烷作为气体灭菌已经得到全世界的认可，随着工业化的发展，被普遍应用于不耐高温高压高湿度的医疗器械灭菌。但是环氧乙烷灭菌也存在一定的缺点，特别是灭菌后的残留物是对相关使用或操作人员的重大威胁，对粘膜组织损伤严重，可引起细胞畸变和癌变。常见的残留物包括环氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇。因此了解环氧乙烷生产过程、灭菌特性、检测方法等才能更好地分析其灭菌后的相关残留物，进而对残留物开展相关评价及控制，保障使用经环氧乙烷灭菌的医疗器械的患者、医护人员的健康。

1 残留物的特性

环氧乙烷，CAS号：75-21-8，化学式：CH2-CH2-O，分子量为44.05。在室温下为无色气体，低温时为无色易流动液体。有醚类物质的味道，高浓度时有刺激臭味。溶于水、乙醇、乙醚等[1]。2-氯乙醇，CAS号:107-07-3，化学式：CH2Cl-CH2OH，分子量80.52，无色或淡黄色液体，微具醚香味，溶于水、乙酸、乙醚等，是重要的化工原料，用于制造乙二醇、环氧乙烷，及医药、染料、农药的合成等。乙二醇，CAS号:107-21-1，化学式：CH2OH-CH2OH，分子量62.068，无色、无臭、有甜味液体。

2 环氧乙烷的灭菌过程

环氧乙烷属高效广谱灭菌剂，对细菌繁殖体细菌芽胞、真菌、病毒均有强大的杀灭灭活作用，环氧乙烷不损害灭菌的物品且穿透力很强，可以穿透微孔，到达内部一定深度[2]。可广泛用于医疗器械的灭菌。环氧乙烷灭菌时可采用100%纯环氧乙烷或环氧乙烷和二氧化碳混合气体。在光学内窥镜的相关标准中，明确提出环氧乙烷气体应包含10%环氧乙烷，90%氮气，或者气体混合物由10%环氧乙烷和90%氯四氟乙烷组成[3]。此类混合气体属于非易燃组合，但在实际生产过程中，出于保护环境的考虑，基本废弃含氟气体的引入。纯环氧乙烷灭菌时需要根据实际情况控制周边环境参数。二氧化碳分子量为44.0095，常温常压下，是气态，与环氧乙烷分子量非常接近。因此环氧乙烷与二氧化碳混合气体可以任意比例混合，且属于非易燃性气体。

2.1 环氧乙烷灭菌原理

环氧乙烷杀灭微生物主要是通过烷基化作用、抑制生物酶活性起到对微生物的杀灭作用。烷基化作用的位点是蛋白质和核酸分子中的硫氢基(-SH)、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)和羟基(-OH)等，环氧乙烷可使这些基团发生烷基化反应，阻碍蛋白质的正常化学反应和新陈代谢，使微生物这些生物大分子失去活性，从而致死微生物。抑制微生物各种酶的活性，如磷酸脱氢酶、胆碱脂酶及其他氧化酶等，阻碍了微生物正常代谢过程的完成，导致其死亡[4]。

2.2 环氧乙烷灭菌执行相关标准

医疗器械环氧乙烷灭菌是一个系统工程，从灭菌过程的开发、确认、控制、灭菌后微生物数量的控制、残留物的检测，都是需要医疗器械生产厂家用生产质量体系文件合理控制。可参考的灭菌执行标准包括：

（1）GB 18279.1—2015《医疗保健产品灭菌环氧乙烷 第1部分：医疗器械灭菌过程的开发、确认和常规控制的要求》；

（2）GB 18279.2—2015《医疗保健产品的灭菌 环氧乙烷 第2部分：GB 18279.1应用指南》；

（3）GB/T 16886.7—2015《医疗器械生物学评价第7部分：环氧乙烷灭菌残留量》；

（4）YY/T 1403—2017 《环氧乙烷分包灭菌的要求》；

（5）GB/T 19973.1—2015 《医疗器械的灭菌 微生物学方法 第1部分：产品上微生物总数的测定》；

（6）GB 19973.2—2018 《医疗器械的灭菌微生物学方法 第2部分：用于灭菌过程的定义、确认和维护的无菌试验》；

（7）GB 18282.1—2015《医疗保健产品灭菌化学指示物 第1部分：通则》；

（8）GB/T 19972—2018《医疗保健产品灭菌 生物指示物 选择、使用及检验结果判断指南》 。

2.3 主要影响因素

影响灭菌的主要因素包括：温度、湿度、压力、环氧乙烷浓度、灭菌时间。同时灭菌的效果与医疗器械的材料特质、理化性能、包装的材料、大小、装载容量及方式等也有关系。

在湿度控制方面，灭菌物品的含水量、微生物的含水量、灭菌环境的相对湿度都对最终效果有显著影响。一般灭菌器在抽真空后，要求达到30%～80%RH，方可进行环氧乙烷灭菌操作。

温度、压力与环氧乙烷浓度的公式通过理想气体状态方程，可换算出推荐的数值。

pV=nRT，其中n=m/M，P-压力（kPa）；V-体积(L)；n-气体摩尔数（mol）；m-气体质量（g）；M-气体分子量（44.05）；R-气体常数（J/MOL.K）=8.314；T-气体热力学温度（华氏摄氏度+273.15）；C-气体浓度（g/L）。

2.4 环氧乙烷灭菌器工作过程

灭菌器的工作过程首先对灭菌室加温，直到温度达到预定的灭菌温度；然后，灭菌室抽真空，当达到预定的真空度后，开始对灭菌室加环氧乙烷；在上述过程结束后，灭菌过程开始；在整个灭菌过程中需保持恒温状态；灭菌结束时对灭菌室进行换气，即用经过滤后的清洁空气置换灭菌室内的残余环氧乙烷气体，经废气处理系统处理后排放。

2.5 环氧乙烷灭菌确认

一般通过物理性能及微生物性能对所设定的环氧乙烷灭菌过程及参数进行确认。物理性能主要是确认设备能否达到预期生产工艺设计的参数的能力。微生物性能主要是确认设备是否能达到10-6灭菌工艺水平。常规使用含有生物指示物的环氧乙烷常规测试包进行环氧乙烷灭菌监测，生物指示剂代表菌株为国际标准株，即枯草杆菌黑色变种芽孢(ATCC9372)，自含式生物指示剂管至少需要培养 48 h[5-6]。

3 灭菌残留物的分析

3.1 残留物的危害

一般情况下，采用环氧乙烷灭菌的医疗器械应当对灭菌后相关残留物进行分析评价，因为残留量的多少与接触医疗器械的相关人员的健康息息相关。环氧乙烷是一种中枢神经抑制剂。若与皮肤接触迅速发生红肿，数小时后起泡，反复接触可致敏。液体溅入眼内，可致角膜灼伤。若长期少量接触，可见有神经衰弱综合征和植物神经功能紊乱。有报道表明，大鼠急性口服LD50为330 mg/kg，环氧乙烷可使小鼠骨髓染色体的畸变率提高[7]。有报道，环氧乙烷接触的工作人员致癌率和死亡率较高[8]。2-氯乙醇若与皮肤接触，可出现皮肤红斑；可经皮吸收引起中毒；口服可致死；若慢性长期接触有可对中枢神经系统、心血管系统、肺造成损伤。国内外对于乙二醇的研究结果一致认为其本身毒性较低。其在体内代谢过程与乙醇相同，经过乙醇脱氢酶及乙醛脱氢酶的代谢，主要产物为乙醛酸、草酸和乳酸，毒性较高。因此多项标准中均对相关残留物有具体要求。GB/T 16886.7—2015《医疗器械生物学评价第7部分：环氧乙烷灭菌残留量》、YY 0290.8—2008《眼科光学 人工晶状体 第8部分：基本要求》等标准中对环氧乙烷、2-氯乙醇的残留量的限值有详细规定。GB/T 16886.7—2015中明确表示，当使用环氧乙烷灭菌的医疗器械中存在2-氯乙醇时，2-氯乙醇的最大允许残留量也有明确限值。因此，要从环氧乙烷的生产、运输、存储环节，医疗器械的生产环节、灭菌环节来综合分析残留物的产生。

3.2 残留物的分析

环氧乙烷的生产工艺分为氯醇法和氧化法。其中氯醇法为早期环氧乙烷生产方法。主要包含两个反应过程：第一步：C2H4＋HClO→CH2Cl-CH2OH；第二步：CH2Cl-CH2OH＋CaOH2→C2H4O＋CaCl2＋H2O。

其反应过程中间产物为2-氯乙醇（CH2Cl-CH2OH）。因氯醇法技术落后，严重污染环境，加之产物对设备腐蚀严重，早己不被使用[9]。氧化法[10]分为空气法和氧气法。根据氧气纯度的不同，生产中的主要包含两个反应过程：第一步：2C2H4＋O2→2C2H4O；第二步：C2H4＋3O2→2CO2＋H2O。目前，环氧乙烷的工业生产主要采用以银为催化剂的乙烯直接氧化法工艺。因此，环氧乙烷的生产工艺是决定灭菌后对2-氯乙醇进行评价的一个因素。

参照GB/T 16886.7—2015标准中的相关规定执行环氧乙烷灭菌过程的确认和开发，根据环氧乙烷的物理化学特性，灭菌后大部分残留物以原形的形式存在。影响残留量的因素主要包括医疗器械对环氧乙烷的吸附、包装材料及厚度、灭菌前后的温湿度、灭菌作用时间及解析时间、储存条件等，以上因素决定了环氧乙烷气体的逃逸能力。有文献[11]报道，环氧乙烷灭菌浓度通常选择300～1000 mg/L。灭菌时环氧乙烷的损耗因素主要包括：医疗器械的吸附、在一定湿度条件的水解等。浓度在600 mg/L是相对经济有效的，降低环氧乙烷的消耗与灭菌物品上的残留，节约了灭菌成本。

氯在化学工业中有着广泛的应用，许多产品与我们息息相关。既可作为中间体，如氯乙烯；也可作为终产品，如漂白剂。同时氯也存在于空气、水等环境中，对人体的危害也是显而易见的。因此，在相关医疗器械经环氧乙烷灭菌时，应当综合考虑分析产品的生产、灭菌、存储等环节，有针对性地采取相应的措施控制2-氯乙醇的残留量。

有文献[12]报道，创口贴经过环氧乙烷灭菌，解析72 h后，2-氯乙醇的含量达到近150 μg/片，参照GB/T 16886.7—2015的标准中规定的短期接触器械，2-氯乙醇对患者的平均日剂量不应超过9 mg，其残留量远低于标准中的限值。

有研究[13]对3种缝合针线中环氧乙烷及2-氯乙醇的残留量进行测定，材质为尼龙线的带线缝合针环氧乙烷为未检出，2-氯乙醇结果为53.7 μg/g。YY 0167—2005中规定了非吸收性外科缝线环氧乙烷检出限值，对2-氯乙醇未做规定。缝合线在生产过程中有大量工业用水的可能。我国地面水的四类水质是适用于一般工业保护区及人体非直接接触的用水区，普遍经过漂白粉处理，可控制水中的藻类及微生物，用于杀菌卫生防疫。其主要有效成分为次氯酸钙，是由氯气通入石灰石生成。次氯酸钙在空气中易降解，主要反应式为：Ca(ClO)2+CO2+H2O→CaCO3+2HClO。次氯酸在光照下易分解为盐酸和水，主要反应式为：2HClO+光照→2HCl+O2。氯负离子易吸附在缝合线中，在一定的弱酸性或弱碱性环境下，环氧乙烷开环与其生成2-氯乙醇。

有文献[14]报道，用丙酮超声提取人工晶状体样品残留的2-氯乙醇，利用气相色谱-质谱法测定，但并未检出。YY 0290.8—2008《眼科光学 人工晶状体 第8部分：基本要求》中，规定人工晶状体上2-氯乙醇残留量每只每天不应超过2.0 μg，每个晶状体总量不应超过5.0 μg。

因此，医疗器械经环氧乙烷灭菌后，应当根据实际情况综合分析氯离子残留的可能性，并采取相关措施控制2-氯乙醇的残留量。GB/T 16886.7—2015标准中提到2-氯乙醇残留引起的眼毒性是同等水平环氧乙烷的4倍。

在医疗器械灭菌过程中，部分一次性使用医疗器械或包装材料的原材料包括聚氯乙烯（PVC），PVC树脂在加工中因树脂分解也会产生极少量的氯乙烯单体。GB 10010—2009《医用软聚氯乙烯管材》中规定了氯乙烯单体含量不能超过1 μg/g。氯乙烯在催化剂（过氧化物等）或光、热作用下容易发生聚合，生成聚氯乙烯，统称为氯乙烯树脂。聚氯乙烯受热超过100oC或经过紫外线辐射照射会存在氯化氢气体逃逸的可能性。那么包装内氯化氢气体与环氧乙烷结合会生成一定量的2-氯乙醇。

乙二醇性质稳定，不易挥发。环氧乙烷中的氧原子带两个孤对电子，具有较强的亲水性，在与氯负离子共存的情况下，更容易生成乙二醇。例如：C2H4O+NaCl＋H2O→CH2Cl-CH2OH+NaOH。此过程反应端为弱碱性，生成端为强碱性，这种反应发生率较低。发生率更高的是环氧乙烷遇水生成乙二醇：C2H4O+H2O→CH2OH-CH2OH，且环氧乙烷水合作用会抑制其与游离氯负离子的结合。

医疗器械生产、灭菌、存储、运输、使用等环节中，若引入氯负离子，存在环氧乙烷与其发生反应生成2-氯乙醇的可能性。由于生产环节中氯醇法已经被淘汰，那么其中间产物2-氯乙醇不会在直接氧化法中出现。医疗器械的生产环节，某些原材料对环氧乙烷、2-氯乙醇具有极强的吸附特性，那么灭菌后进行解析时必须考虑其残留量的控制。此外，医疗器械生产过程中，原料、添加剂、反应抑制剂等含有以氯化物形式存在的无机盐，在灭菌时，须考虑环氧乙烷在酸性或碱性条件下开环，发生SN2反应，与游离的氯负离子结合生成2-氯乙醇的可能性。

3.3 常用的残留物检测方法

目前，常用检测环氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇的方法为气相色谱法。环氧乙烷还可以用品红亚硫酸试液对比色法进行检测，但其缺点是检测结果的真实性受实验条件影响的因素较多，如保证实验环境温度37oC的恒定从而控制乙二醇的反应，显色处理后的待测液放置时间等。因此，在有资质的实验室，经过确认的方法学验证（包括准确度、精密度、线性、灵敏性等）对于残留量的定量检测有参考意义。

4 总结

环氧乙烷是继甲醛之后出现的第2代化学灭菌剂，至今仍为最好的冷灭菌剂之一，也是目前四大低温灭菌技术（低温等离子体、低温甲醛蒸汽、环氧乙烷、戊二醛）中最重要的一员。目前，工业上应用最多的是纯氧与乙烯在银催化剂的作用下直接反应生成环氧乙烷。环氧乙烷的纯度直接影响着灭菌效果。环氧乙烷灭菌后，相关灭菌残留物的控制也是非常重要的环节。环氧乙烷、2-氯乙醇、乙二醇是医疗器械进行环氧乙烷灭菌后常见的残留物。开展残留物评价，应考虑环氧乙烷的生产、存储、医疗器械的生产、灭菌等环节相关物质的引入。

实际医疗器械审评工作中还应关注两个问题：①是否需要进行2-氯乙醇的残留量的检测。在环氧乙烷生产环节，若采用传统氯醇法，尽管在生产过程中会采取提纯、过滤等方法，环氧乙烷气体在一定程度上还是会含有中间产物2-氯乙醇，应对其残留量进行评价。若采用氧化法，没有2-氯乙醇的引入，但应考虑环氧乙烷反应过程中的抑制剂的二氯乙烷的残留量。医疗器械在生产过程中大量使用工业用水，成品中也会吸附一定量的次氯酸、氯负离子，这些是残留物中可能存在2-氯乙醇的原因。还存在医疗器械的原材料及包装中是含有氯元素的无机盐或结构稳定且不易断键的高分子材料等的情况，因此要综合分析2-氯乙醇残留量的风险是否一定需要检测来进行评价，若有充分的证据表明不会引入2-氯乙醇或低于检测方法的检测限，可以不考虑用检测来控制其风险。②对于乙二醇的残留量的分析评估。与环氧乙烷、2-氯乙醇相比，乙二醇残留物接触毒性较低，但由于环氧乙烷生产、使用过程中还会接触二氧化碳和水，而环氧乙烷与水又容易生产乙二醇，灭菌后乙二醇的含量与环氧乙烷的纯度相关，也与包装、微生物中的水分及灭菌的温湿度环境相关，因此应根据实际情况考虑对乙二醇进行评价。

标准是医疗器械技术审评的工具之一，医疗器械技术审评工作要关注产品的设计研发、生产、存储、使用等各环节安全有效的基本要求，综合分析影响安全有效的因素，要做到理论联系实际，基于科学、基于事实，而不是直接引用标准，脱离产品设计、研发、生产、使用的实际情况。审评工作应当更加关注医疗器械生产质量体系对于相关环节的控制，同时体系核查中的现场审评也应当以“问题”为导向，充分发挥“眼睛”的作用。从而达到提高审评质量，科学审评的目的。