盡管關于滅菌方法和設備的文獻相當多，但關于滅菌對電子產品的影響的文章很少。本文比較了流行的滅菌方法，并討論了它們對包含電子設備的物體的適用性。

由于半導體和封裝技術的進步，如今集成電路（IC）出現在包括醫療設備在內的各種設備中。醫療應用面臨的一個特殊挑戰是需要保持產品無菌，不受真菌、細菌、病毒和孢子形式等有害污染物的影響。盡管關于滅菌方法和設備的文獻相當多，但關于滅菌對電子產品的影響的文章很少。本應用筆記比較了常用的滅菌方法，并討論了它們對含有電子元件的物體的適用性。

物理方法

有幾種物理滅菌方法，其中最有效的一種在稱為高壓滅菌器的裝置中將熱量與濕度和壓力相結合。

高壓釜蒸汽滅菌

眾所周知，醫療器械的熱滅菌在古羅馬就已經使用過。水分的存在顯著加快了熱量滲透（蒸汽滅菌）。高壓滅菌器發明于1879年，將熱量和水分與高壓相結合。

工作原理1

高壓釜是一個類似于壓力鍋的容器。它裝滿了要滅菌的物體，然后密封。接下來，高溫蒸汽在高壓下被迫進入，從而置換空氣。濕熱通過酶和結構蛋白的不可逆凝固和變性來破壞微生物。完成此操作的時間和溫度取決于壓力和要滅活的微生物類型。經過必要的時間后，釋放蒸汽并去除滅菌的物體。整個周期可能需要 15 到 60 分鐘（批處理）。

問題

高壓滅菌適用于可以承受濕度、高壓（高于環境溫度 1 至 3.5 個大氣壓）和高溫（+121°C 至 +148°C）的物體。典型的例子是手術器械。半導體器件通常可以處理高達+125°C的溫度。 然而，將嵌入式電池暴露在高溫下會顯著縮短其使用壽命。使用浮柵技術的存儲設備（如EEPROM）可能對高溫敏感。但是，如果在+10°C下將數據保留指定為125年，則不應預期數據完整性損失。 否則，應偶爾刷新（重寫）內存數據以恢復浮動門上的完全充電。這適用于激光調整的EEPROM。由于產品數據表中通常未指定裝飾類型，因此可能需要聯系供應商了解詳細信息。

化學方法

在醫療領域有大量的化學方法用于滅菌。本節討論一些流行的方法。化學方法可以與物理方法相結合。

環氧乙烷 （ETO） 滅菌

環氧乙烷 （ETO） 于 1859 年首次報道，并在 1900 年代初獲得工業重要性。 用于保存香料的 ETO 滅菌于 1938 年獲得專利。當幾乎沒有替代品可以對熱敏和濕敏的醫療設備進行滅菌時，ETO的使用就得到了發展。

工作原理2

ETO滅菌器是一個容器，首先裝滿要滅菌的物體。基本的ETO滅菌周期包括五個階段（加濕抽真空，氣體引入，暴露，抽真空和空氣沖洗），大約需要2 1/2小時，不包括曝氣時間（去除ETO）。機械曝氣在 +8 至 +12°C 下需要 50 至 60 小時;被動曝氣也是可能的，但可能需要7天。曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。ETO與氨基酸，蛋白質和DNA發生化學反應，以防止微生物繁殖。3

問題

ETO滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于其+30°至+60°C的低溫條件，ETO滅菌工藝非常適合具有嵌入式電子設備的醫療設備。但是，對于嵌入式電池來說，真空可能不被接受。此外，該方法還有一個缺點：ETO是一種高度易燃的石油基氣體和致癌物質。

二氧化氯 （CD） 氣體滅菌

二氧化氯（CD）于1811年或1814年被發現（這兩年都列出），并在造紙工業中作為漂白劑獲得了廣泛的商業用途。1988年，EPA將二氧化氯注冊為滅菌劑。這為醫療領域的應用打開了大門。

工作原理4, 5

CD滅菌器是一個容器，首先裝滿要滅菌的物體。基本的 CD 滅菌周期包括五個階段（加濕預處理、調節、二氧化氯氣體的生成和輸送、暴露和曝氣），大約需要 2 1/2 小時，包括曝氣時間（去除 CD）。曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。二氧化氯（ClO2）作為氧化劑并與幾種細胞成分反應，包括微生物的細胞膜。通過從它們那里“竊取”電子（氧化），CD破壞了它們的分子鍵，導致生物體因細胞破裂而死亡。由于CD改變了參與微生物結構的蛋白質，酶功能被破壞，導致非常迅速的細菌殺滅。CD的效力歸因于對許多蛋白質的同時氧化攻擊，從而防止細胞突變為抗性形式。此外，由于二氧化氯的反應性較低，因此在有機物存在下其抗菌作用保留時間更長。

問題

CD滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于 +15° 至 +40°C 的低溫，CD 滅菌過程非常適合帶有嵌入式電子設備的醫療設備。CD氣體在該方法使用的濃度下不易燃，并且不致癌。它不需要高濃度即可達到殺孢子效果。

過氧化氫滅菌

過氧化氫于1818年首次分離。它在制藥行業有著悠久的使用歷史，是環氧乙烷（ETO）的流行替代品。過氧化氫可以以兩種方式使用：a）汽化過氧化氫滅菌，和b）過氧化氫等離子體滅菌。

汽化過氧化氫 （VHP?） 滅菌

工作原理6, 7

VHP滅菌器首先填充要滅菌的物體。基本的VHP滅菌周期包括三個階段（調節，包括真空發生，H2O2注入和曝氣），大約需要 1 1/2 小時，包括曝氣時間（去除 H2O2).曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。HPV的確切作用機制仍有待完全了解，并且可能因微生物而異。盡管如此，H2O2通過產生活性氧（如羥基自由基）來產生氧化應激，這些活性氧攻擊多個分子靶標，包括核酸、酶、細胞壁蛋白和脂質。

問題

VHP滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于其+25°至+50°C的低溫操作，VHP滅菌過程非常適合帶有嵌入式電子設備的醫療設備。但是，對于嵌入式電池來說，真空可能不被接受。VHP滲透能力低于ETO的能力。

過氧化氫等離子滅菌

工作原理1

這種方法將化學與物理相結合。過氧化氫等離子體滅菌器首先填充待滅菌的物體。基本的過氧化氫等離子滅菌周期包括四個階段（真空發生，H2O2注射、擴散和血漿放電），大約需要 1 至 3 小時。不需要曝氣。循環完成后，將滅菌對象移除（批處理）。過氧化氫等離子體滅菌主要通過在循環的等離子體階段結合使用過氧化氫氣體和產生自由基（羥基和氫丙基自由基）來滅活微生物。過氧化氫等離子體滅菌不得與使用超聲波產生霧氣的系統混淆，因此不涉及等離子體放電。

問題

過氧化氫等離子體滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。所需的真空度不如VHP滅菌那么深。雖然+40°至+ 65°C的低工藝溫度很有吸引力，但等離子體放電階段13W至56W范圍內的200.400MHz射頻能量對于嵌入式電子設備來說是個問題。過氧化氫等離子體滅菌不應用于含有半導體的物體。

輻射方法

伽馬射線滅菌8, 13

伽馬輻射是在1900年研究鐳發射的輻射時發現的。后來，發現了其他來源，如锝-99m和鈷-60。伽馬輻射的工業使用始于1950年代，以鈷-60作為輻射源。鈷-60在自然界中不存在;它是在反應器中人工生產的。鈷-60的半衰期為5.2714年。

工作原理9

待滅菌的物體被放在傳送帶上，傳送帶將它們運送到強伽馬輻射源（如鈷-60）附近。在輻射場中停止以使物體接收到所需劑量后，輸送機繼續前進并暴露下一個物體。輸送機可以以確保適當劑量的速度連續移動（連續加工），而不是走走停停的動作。電離輻射引起激發、電離，在存在水的地方，還會導致自由基的形成。自由基具有強大的氧化作用（OH，HO2）和還原（H）劑，能夠破壞活細胞中的必需分子。因此，所有這三個過程都會導致必需細胞成分（如酶和DNA）的分解。這會導致細胞死亡。最具生物破壞性的伽馬輻射形式發生在伽馬射線窗口，在3MeV和10MeV之間。鈷-60發射的伽馬輻射為1.17MeV和1.33MeV，略低于最有效的范圍。

問題10

伽馬輻射深入照射物體。它比物理和化學方法更快;它在升高的室溫和正常大氣壓下發生。輻照器是一個大型物體，有2米厚的混凝土墻，以保護環境免受輻射。由于放射性衰變，需要定期調整暴露時間以保持恒定的輻射劑量。除了影響活細胞外，伽馬輻射還影響聚合物和半導體。對電子產品的影響取決于劑量和劑量率。在極端情況下，在數秒到數分鐘內傳遞的硅中總電離大于5000 rads會使半導體材料長時間降解。例如，在實踐中，醫療行業對電離水平在250至500rads范圍內的儀器和產品進行滅菌，專門設計的半導體設備可以可靠地運行。因此，在適當的條件下，伽馬射線滅菌可用于包含兼容設計的半導體器件的物體。

電子束滅菌11

因為它們是從電子管（也稱為真空管）的陰極發射的，所以電子束最初被稱為陰極射線。陰極射線管（CRT）于1897年發明，可產生并偏轉電子束以掃描熒光屏。隨著電視的引入，它成為一種家居用品。在用于電視的CRT中，光束的電子以10kV（黑白）或25kV（彩色）的陽極電壓加速，并在撞擊屏幕時返回金屬導體中。電子束發生器類似于 CRT。然而，加速電壓可以高達1000倍，屏幕被鈦箔制成的窗口所取代，該窗口允許電子離開真空，但將氣體分子從大氣中排除在外。電子束用于滅菌始于1956年，當時醫療器械行業開發了第一個商業應用。

工作原理9, 12

待滅菌的物體被放在傳送帶上，傳送帶將它們緩慢地輸送到電子束離開發生器的窗口。選擇輸送機速度以確保適當的劑量（連續加工）。達到滅菌所需的穿透力需要5MeV至10MeV的能級。電子束輻射形成自由基，與大分子反應，從而破壞細胞DNA，導致細胞死亡。這種方法可以破壞所有類型的病原體，包括病毒、真菌、細菌、寄生蟲、孢子和霉菌。

問題

電子束輻射的穿透深度不如伽馬輻射。然而，它比伽馬射線滅菌更快，不會產生核廢料，并且在正常大氣壓下的室溫升高下進行。電子束輻射比伽馬輻射對材料具有更好的相容性。當電子束指向電子元件時，電子束會導致電荷積聚（ESD），進而造成損壞。因此，電子束滅菌應僅用于含有半導體的物體，這些半導體旨在專門耐受電子束輻射水平和ESD積聚。

結論

有物理、化學和輻射方法對醫療應用中的物體進行消毒。每種滅菌方法都有其特殊特性，這些特性可能與半導體器件兼容，也可能不兼容。在選擇特定方法時，應考慮潛在的副作用，尤其是在涉及電子設備時。

表1總結了本文討論的方法及其與嵌入式電子器件的兼容性。二氧化氯對電子元件沒有已知的不利影響，因此是與電子元件兼容的最佳整體選擇。環氧乙烷和汽化過氧化氫也是不含電池的電子醫療設備的極好滅菌方法。IC的環氧樹脂封裝材料不接觸化學殺菌劑，因此不會受到影響。如果需要抗輻射性，則必須使用專門設計和兼容的IC。

免責聲明

本應用紀要的研究于2010年進行，完全依賴于公眾可獲得的材料。從那以后，方法和設備可能已經有了技術改進，立法也發生了變化。所有這些都可能影響上述描述和結論的正確性。因此，在將包含電子設備的醫療設備暴露于任何滅菌方法（包括此處未提及的方法）之前，請與醫療設備供應商聯系，以驗證您打算使用的滅菌設備是否會損害醫療設備。

審核編輯：郭婷