SI21224A - Sterilizacijska metoda s plazmo in sekundarnim izvorom - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je metoda za plazemsko sterilizacijo, ki za sterilizacijo uporablja radikale in sekundarni izvor sevanja. Radikale v plazmi proizvedemo z razelektritvijo različnih plinov ali mešanic teh plinov z drugimi, tipično inertnimi plini. Za razelektritev uporabljamo različne razelektritve v nizko-tlačnem območju. Sekundarni izvor sevanja pa zagotavljamo z UV svetili ali plinsko razelektritvijo v sekundarni komori, ki zagotavlja izvor sevanja. S predlagano metodo je mogoče zelo učinkovito in hitreje od znanih metod sterilizirati različne vzorce. Metoda lahko zagotavlja tudi nizko temperaturno sterilizacijo za zelo občutljive medicinske pripomočke.ŕ

Description

1. PRIKAZ PROBLEMA

Kljub temu, da se je študij neaktivnih mikroorganizmov začel že leta 1950, se komercialna sterilizacija medicinskih pripomočkov ni začela do leta 1990. (Seymour S., Disinfection, Sterilization, and Preservation, poglavje 38, str. 747.) Tradicionalno se je v bolnicah uveljavila sterilizacija z vodno paro pri 130°C oz. suho vročino za medicinske pripomočke, ki prenesejo toplotne obremenitve; ali pa etilen oksidnim plinom oz. nizko temperaturno paro formaldehida za toplotno občutljive pripomočke. S povečanjem uporabe medicinskih pripomočkov občutljivih na vlago in toploto, posebej pripomočkov za diagnostiko ali protez se je povečala tudi potreba po čim hitrejši sterilizaciji. Pri tem pa ne prideta v poštev že omenjeni metodi, ker je sterilizacija z etilen oksidnim plinom precej dolgotrajna, ker je potrebno strupeni etilen oksid odstraniti s steriliziranega predmeta, posledično pa je postopek škodljiv tudi za atmosfero, ker uničuje ozon. Formaldehidna para ima podobne toksične učinke kot etilen oksid.

V industriji so najpogostejše metode sterilizacije medicinskih pripomočkov para, etilen oksid, ionizacijska in radiacijska sterilizacija z sevanjem gama (kobalt 60) ali elektronskim curkom. Kljub temu, da so te tehnologije učinkovite, niso primerne za široko uporabo naprav občutljivih na toploto ali vlago ali celo sterilizacijo plastičnih vsadkov. Uporaba ionizacijskih in radiacijskih izvorov ima poleg že omenjenih slabosti metod tudi precej visoko ceno. Zaradi tega se pojavlja potreba po čim cenejši, učinkoviti, hitri, netoksični in okolju prijazni metodi za sterilizacijo, ki bo lahko izvedljiva pri nizkih temperaturah. Odgovor na to je nizko temperaturna plazemska sterilizacija.

Plazmo kot neravnovesno stanje plina lahko razdelimo v dve kategoriji. V prvo spadajo visoko temperaturne plazme, ki presegajo temperaturo 5.000K. V drugo kategorijo pa spadajo neravnovesne ali nizko temperaturne plazme. Te plazme imajo energijo elektronov v območju od 1 do 10 eV, gostote elektronov pa so od 10⁹ do 10¹² cm'³. V teh plazmah je tudi

U. Cvelbar, M. Mozetič

-2pomanjkanje ravnovesja med temperaturo elektronov T_e in temperaturo plina T_g. Razmerje med njima (T_e/T_g) je tipično od 10 do 100. Zaradi te lastnosti imajo neravnovesne plazme dovolj energije za porušitev molekularnih vezi obenem pa zaradi slabe izmenjave kinetične energije v plazmi delujejo blago na površino obdelovanca. Obstajajo pa različni načini za generiranje teh plazem, ki imajo glede na generiranje tudi različne lastnosti. Razlikujejo se predvsem po vrstah radikalov, količini le teh, temperaturi plina in elektronov ter stranskih produktih kot je sevanje svetlobe.

Za sterilizacijo s plazmo je torej potrebno površino obdelati s plinom v neravnovesnem stanju. Ključnega pomena za pravilno tehnološko obdelavo pa so način za ustvarjanje in parametri neravnovesnih stanj ter plin, ki se uporablja za ustvarjenje plazme. Najbolj pogosta metoda za ustvarjanje zelo neravnovesnega plina je vodenje molekul plina skozi nizkotlačno razelektritev. Molekule pri tem vzbudimo, disociiramo in ioniziramo z neelastičnimi trki z elektroni. Vzbujene, atomizirane in ioniziranem molekule imenujemo radikali, katerih koncentracija je odvisna od parametrov razelektritve. Koncentracija radikalov pa je bistvenega pomena za sterilizacijo obdelovanca. Raziskave so pokazale, da so za sterilizacijo pomembne dve ali tri faze, ki se med seboj ciklično izmenjujejo ali v našem primeru dopolnjujejo. V prvi delujemo na bakterije z UV svetlobo in cepimo vezi, v drugi pa nam k temu pomaga tudi neravnovesna plazma z reaktivnimi ioni. V tretji fazi razbite vezi jedkamo z radikali atomov, tako da odstranjujemo posamezne razbite vezi. Nastale produkte odčrpavamo z vakuumskega sistema.

2. STANJE TEHNIKE

Prespektive uporabe plazemske sterilizacije so v zadnjih nekaj letih narekovale kar nekaj, večinoma akademskih raziskav sterilizacije spor v čistih plazmah plinov, kot so H2, O2, Ar, N2, CO, NO, H2O2, ipd., ali v različnih mešanicah plinov H₂+Ar, O₂+Ar, N2+Ar, NO+Ar, H2+He, ipd., ter vodne pare.

Za najboljše so se izkazali tisti plini, ki so obenem zagotavljali reaktante in visoko koncentracijo vzbujenih stanj, ki sevajo UV svetlobo. Hitrost sterilizacije v enotnem plazemskem sistemu je bila odvisna predvsem od začetne stopnje sevanja UV, ki je cepilo vezi genetskega materiala v sporah. Reaktanti pa so spore razbili, lokalno segreli ali pa deloma pojedkali.

Patentirani plazemski sterilizacijski postopki se nanašajo večinoma na sterilizacijo z različnimi tipi plinov v enotnem plazemskem reaktorju. Tu gre večinoma za mikrovalovne plazemske reaktorje z manjšimi koncentracijami disociiranih atomov. Postopki pa so patentirani tudi v enotnih DC reaktorjih (RU2102084). Postopki sterilizacije se nanašajo tudi na uporabne primere, kjer tipično ustvarjamo plazmo primerno za sterilizacijo posameznih produktov, kot so pločevinke ali steklenice (US6230472, US5593649), dekontaminacijo nevarnih kemičnih plinov z mešanico He/CE (W00074730) ali sterilizacijo tankih plasti na

U. Cvelbar, M. Mozetič

-3tekočem traku z elektronskim curkom (WO0115199). Zelo popularna pa je tudi sterilizacija pri atmosferskem tlaku s korona plazmo za embalažo živilskih produktov (WO03011346).

Plini, ki se uporabljajo v enotni vakuumski komori (US5650693) pri tlaku od 0.1 do 10 mbar so mešanice plinov sestavljene iz (a) Ar, He, N₂, H2 ali njihovih mešanic ter O2 in H2; (b) Ar, He, N2 ali njihovih mešanic z H2; (c) ali njihovih mešanic z O2 (EP0387022, US5115166, US5376332, US54137759, WO9526121). Sterilizacijske plazme so bile generirane tudi z različnimi plini: Ar, He ali Xe (US3851436); Ar, N₂, O2, He ali Xe (US3948601); glutaraldehidom (US4207286); O₂ (US4321232); Ar, N₂, O₂, He ali freonom pri pulznem tlaku (US4348357). Za sterilizacijo lahko uporabljamo tudi H₂O₂ - vodikov peroksid (US4643876) ali mešanice ((a),(b),(c)) že omenjenih plinov H₂O₂ (EP0456135). Patentirani so tudi plazemsko pulzni-vakuumski cikli v teh plazmah (US5084239, US5178829) . Najdemo pa tudi bolj eksotične mešanice kot so H₂, O₂, N₂ in H₂O (DE 10036550) ali NO sam ali O₃ (JP162276-1983).

V literaturi pa ni podatkov o mešanih izvorih za sterilizacijo, kjer z plazmo zagotavljamo ione in atome za cepitve in jedkanje mikroorganizmov iz sekundarnega izvora kot je izvor UV svetlobe ali gama sevanja, ki pomaga v začetni fazi in pospeši v nadaljevanju cepitev vezi v mikroorganizmih. Taka metoda namreč mnogo bolj pospeši sterilizacijo in deluje bolj učinkovito.

3. OPIS REŠITVE PROBLEMA

Izum obsega novo plazemsko tehnologijo sterilizacije, ki temelji na sterilizaciji s neravnovesno plazmo z veliko dozo radikalov in sekundarnim izvorom UV svetlobe.

Z namenom, da steriliziramo medicinske pripomočke ali katere koli druge predmete, ki jih potrebujemo sterilne jih izpostavimo neposredno nizkotlačni plazmi. Plazmo lahko generiramo na različne načine, prvenstveno pa z razelektritvijo. Uporabimo lahko različne enosmerne in visokofrekvenčne razelektritve v plinu, na primer tlečo razelektritev, magnetronsko razelektritev, razelektritev z vročo katodo, razelektritev z votlo katodo, radiofrekvenčno razelektritev, mikrovalovno razelektritev, ECR razelektritev, lasersko razelektritev, obločno razelektritev. Zelo primerna za sterilizacijsko obdelavo z nizkotlačno plazmo pa je radiofrekvenčna ali mikrovalovna razelektritev.

Razelektritev v reakcijski komori generiramo v čistem kisiku ali mešanici kisika in drugih plinov. Prvenstveno uporabimo mešanice kisika in inertnega plina, kot je argon ali ostali žlahtni plini ali pa vodno paro. Možna pa je uporaba tudi ostalih plinov; N₂, NO, N₂O₂, NH3, H₂, H₂O₂, H₂O, CO, CO_2tCH4, O3, SO₂, EO, zrak, ipd. ali mešanic teh plinov med seboj ali pa mešanice z inertnimi plini Ar, Ne, Xe, He, Rn.

U. Cvelbar, M. Mozetič

-4Iz sekundarnega vira pa zagotavljamo sevanje, ki omogoča začetno in v nadaljevanju zvezno cepljenje vezi oz. poškodbe genetskega materiala mikroorganizmov. Kot sekundarni vir je najbolj primerna uporaba UV sevanja, uporabljamo lahko pa tudi gama sevanje. UV sevanje ustvarjamo ali zagotavljamo z ločenimi excimer UV svetilkami (sl. 1) ali sekundarnim reaktorjem v katerem uporabljamo kot izvor sevanja plazmo Hg, N2O2, N2, zrak, ali katerikoli drugi močni vir svetlobe v območju UV (sl.2).

Uporaba UV sevanja iz sekundarnega vira omogoča direktno uničevanje genetskega materiala mikroorganizmov. Erozijo mikroorganizmov s plazmo v primarnem reaktorju pa omogoča disociirana plazma, ki atom po atom, z jedkanjem ustvarja volatilne komponente produktov. Ti produkti so običajno rezultat interakcije radikalov, največkrat atomov iz plazme. V kolikor uporabljamo za reaktant kisikove atome so rezultati take erozije zelo učinkoviti, saj ti agresivno sodelujejo v interakcijah z mikroorganizmi in jih učinkovito odstranjujejo s površine, nastale produkte običajno ekološko neškodljive (H2O, CO2, ipd.) pa odčrpamo. Pri velikih koncentracijah kisikovih atomov lahko mikroorganizme na površini zelo hitro oksidiramo v kolikor nimajo temperaturno prevodnega stika s podlago. Na podoben način pa jih lahko odstranjujemo tudi iz polimernih materialov, kjer je uporaba take sterilizacije zelo primerna tudi za umetne medicinske vsadke kot so npr. žile. Izpostava plazmi namreč zniža površinsko energijo in na površino vstavi polarne skupine bogate s kisikom, kot so (-OOH, OH, =0, -CHO, -COOH) in pusti na površini nekatere vezi razcepljene. Zaradi tega je oprijemljivost organskega materiala, kot je človeško tkivo dosti boljša in trdnejša.

Pri sterilizaciji v primarnem reaktorju pomaga oz. je zaželena tudi taka plazma, ki vsebuje ione, ki udarjajo na površino mikroorganizmov in pomagajo pri poškodbah genetskega materiala.

Metodo optimiziramo z uporabo plazme s čim več radikali, ki agresivno sodelujejo pri eroziji mikroorganizmov in ioni, ki pomagajo pri eroziji s poškodbami genetskega materiala in cepljenja vezi na površini. Z sekundarnim izvorom pa zagotavljamo konstantno uničevanje genetskega materiala in cepljenja vezi ter s tem pospešujemo sterilizacijski postopek.

Ta postopek se od ostalih doslej znanih postopkov razlikuje predvsem po dvokomponentnem razumevanju sterilizacije. Vsi dosedanji postopki temeljijo na sterilizaciji z plazmo v enotnem sistemu, kjer plazma iz mešanice plinov zagotavlja izvor UV svetlobe in istočasno radikale, kot so atomi. Pri tem se je običajno potrebno odpovedati nekaterim koristim ene ali druge lastnosti, poleg tega pa so lahko nastali produkti jedkanja tudi strupeni in ekološko neustrezni. Primer uporabe plina, ki zagotavlja oboje, je NO ali N2O2, toda pri jedkanju mikroorganizmov obstaja velika možnost nastanka cianidnih komponent.

Pri našem dvokomponentnem postopku je v nizkotlačni komori zaradi hitre in učinkovite obdelave mogoča zelo dobra sterilizacija, ki je primerna tudi za zelo občutljive materiale ali snovi. Glede na potrebe sterilizacijskega materiala lahko uravnavamo parametre sterilizacije z

U. Cvelbar, M. Mozetič

-5različno uporabo plinov in regulacijami zveznega ali pulznega delovanja plazemskega generatorja in sekundarnega izvora.

4. IZVEDBENI PRIMERI

Sledi opis dveh izvedbenih primerov plazemske sterilizacije s sekundarnim izvorom, ki pojasnjuje mehanizem te plazemske tehnologije sterilizacije. Metoda sterilizacije, ki je predmet tega izuma, je opisana s pomočjo slik, ki prikazujejo:

51.1 Shema plazemskega reaktorja za sterilizacijo s sekundarnim izvorom UV svetlobe z 3 ločenimi UV svetili.

51.2 Shema postavitve 3 ločenih UV svetil za sistem iz Sl. 1.

51.3 Shema plazemskega reaktorja za sterilizacijo s sekundarnim izvorom UV svetlobe iz sekundarne komore s plazmo.

Na sliki 1 je prikazana shema plazemskega reaktorja z 3-mi UV izvori, ki so pomembne v prvi fazi sterilizacije, v nadaljevanju pa omogočajo hitrejšo sterilizacijo s cepitvami vezi v mikroorganizmih. Plazemski reaktor se sestoji iz razelektritvene komore (5), ki je v našem primeru steklena cev dolžine in zunanjega premera 30 cm. V komoro prek dozirnih ventilov (3) puščamo plin, ki zagotavlja erozivnost mikroorganizmov s plazemskimi radikali. V našem primeru puščamo v komoro kisik iz jeklenke (1) ali mešanico kisika in inertnega plina ali pa vodika (mešanica vodika z inertnim plinom) (2), da zagotavljamo reaktivnost in homogenost plazme v reaktorju (5). To lahko počnemo tudi za različne druge mešanice plinov iz več drugih jeklenk. V plazemskem reaktorju (5) generiramo plazmo z RF generatorjem (6), ki ima nazivno moč 800 W in industrijsko frekvenco 27.12 MHz. Izvor UV svetlobe pa zagotavljamo z 3-mi excimer UV svetilkami (4), simetrično porazdeljenimi okoli komore. Komoro stalno črpamo z dvostopenjsko rotacijsko vakuumsko črpalko (10) z nominalno črpalno hitrostjo 64m³h'’ preko molekularne pasti (9). Tlak merimo s kalibriranim Piranijevim vakuummetrom (8). Plazmo pa kontroliramo z optično katalitično sondo (7).

Slika 2 predstavlja primer porazdelitve treh UV svetilk (4) okoli steklene cilindrične komore (5) v kateri generiramo plazmo z RF generatorjem (6). S tako porazdelitvijo zagotavljamo relativno enakomerno porazdelitev vpadle UV svetlobe na vzorec, ki ga steriliziramo.

Na sliki 3 je prikazana shema plazemskega reaktorja z sekundarno komoro, v kateri ustvarjamo plazmo, kije močan izvor UV svetlobe. Plazemski reaktor se tako sestoji iz dveh, med seboj ločenih, vakuumskih cilindričnih razelektritvenih komor. V notranji reaktor (5), kjer erozivno steriliziramo vzorce, puščamo plin prek ventilov (3) iz jeklenke s kisikom (1) ali mešanico kisika in inertnega plina ali pa vodika (mešanica vodika z inertnim plinom) (2), da zagotavljamo reaktivnost in homogenost plazme v reaktorju (5). V sekundarni reaktor (13), ki je ločen od rotacijske črpalke in sistema prek ventila (11) pa vpušča plin iz jeklenke (14), ki

U. Cvelbar, M. Mozetič pri plazemski razelektritvi plina npr. N2O2 ustvarja vir UV svetlobe. Ta plin v našem primeru, vpustimo v komoro po vakuumiranju prek rotacijske črpalke (10). Vir UV svetlobe lahko zagotavljamo tudi z drugimi plini, kot je N2 ali celo z vpustom zraka preko ventila (12). Razelektritev v plazemskem primarnem in sekundarnem reaktorju generiramo z istim RF generatorjem (6), ki ima nazivno moč 800 W in industrijsko frekvenco 27.12 MHz. Komoro stalno črpamo z dvostopenjsko rotacijsko vakuumsko črpalko (10) z nominalno črpalno hitrostjo 64m³h ' preko molekularne pasti (9). Tlak merimo s kalibriranim Piranijevim vakuummetrom (8). Plazmo pa kontroliramo z optično katalitično sondo (7).

Claims (15)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Metoda sterilizacijske obdelave označena s tem, da izpostavimo vzorec plazmi in sekundarnemu izvoru sevanja.
2. 2. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, daje sekundarni izvor sevanja UV svetloba ali gama sevanje.
3. 3. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da izpostavimo vzorec kisikovim radikalom.
4. 4. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da plazmo generiramo v mešanici kisika O₂ in še enega plina, tipično argon ali drugi inertni plin.
5. 5. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da izpostavimo vzorec radikalom vodne pare (H2O, OH) ali vodikovega peroksida (H2O2).
6. 6. Metoda po zahtevku 5 označena s tem, da izpostavimo vzorec mešanici radikalov z drugim plinom, tipično argon ali drugi inertni plin.
7. 7. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da generiramo plazmo v mešanici kisika in dušika ali pa v plinih dušikovih oksidov kot so dušikov monoksid (NO), dušikov dioksid (NO2), N2O2 inN20.
8. 8. Metoda po zahtevku 7 označena s tem, da izpostavimo vzorec mešanici radikalov z drugim plinom, tipično argon ali drugi inertni plin.

   U. Cvelbar, M. Mozetič
9. 9. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da plazmo generiramo v mešanici kisika in ogljika ali v plinih ogljikovih oksidov, kot sta ogljikov monoksid (CO) in ogljikov dioksid (CO₂).
10. 10. Metoda po zahtevku 9 označena s tem, da izpostavimo vzorec mešanici radikalov z drugim plinom, tipično argon ali drugi inertni plin.
11. 11. Metoda po zahtevku 1 označena s tem, da izpostavimo vzorec radikalom iz žveplovega dioksida (SO₂), etilen oksida (EO) ali mešanici teh radikalov z drugim plinom, tipično argon ali drugi inertni plin.
12. 12. Metode po zahtevkih 1-11 označene s tem, da izpostavimo vzorec zveznemu delovanju plazme.
13. 13. Metode po zahtevkih 1-11 označene s tem, da izpostavimo vzorec pulznemu delovanju plazme.
14. 14. Metode po zahtevkih 1-13 označene s tem, da izpostavimo vzorec zveznemu delovanju sekundarnega izvora sevanja.
15. 15. Metode po zahtevkih 1-13 označene s tem, da izpostavimo vzorec pulznemu delovanju sekundarnega izvora sevanja.