医疗器械应用中，使用环氧乙烷灭菌知识全解

环氧乙烷灭菌是一种广谱、高效、穿透力强、对消毒物品损伤轻微的灭菌方法。 环氧乙烷分子式C2H4O，分子量44.05。 它的蒸气压比较大，可以穿透微孔，到达物品的深处。 其液体和气体均具有较强的杀菌作用，气体的杀菌作用更强。 环氧乙烷可杀灭多种微生物，包括细菌繁殖体、芽孢、真菌、病毒等，是一种广谱消毒剂。 作用原理是环氧乙烷能与微生物蛋白质、DNA、RNA发生非特异性烷基化，使蛋白质上的羧基、氨基、硫氨基、羟基被烷基化，使蛋白质失去基本代谢作用。 所需的反应基团阻碍细菌蛋白质的正常化学反应和代谢，导致微生物死亡。 环氧乙烷的消毒效果受多种因素影响，如消毒剂浓度、环境温度和相对湿度、消毒处理时间、消毒物品的质量和厚度、微生物的年龄和含水量等。氧化物对大多数灭菌物品无害，但会破坏食品的某些成分，不能用于血液灭菌。 环氧乙烷对人畜也有毒性，工作环境中环氧乙烷允许浓度应小于1mg/kg。

据文献记载，公元1859年，Wurtz首先发现了环氧乙烷（EO），又称环氧乙烷或环氧丙烷。 但它作为消毒剂和灭菌剂的应用是在1936年。1936年，Schrader和Bossert发现EO与CO2混合可以杀死各种害虫和细菌。 1937年，Gross和Dixon发现EO对所测试的48种微生物具有杀灭作用。 1940年至1943年，格里菲斯和赫尔共同出版了许多书籍并申请了专利。 1949年，Phillips和Kaye对EO进行了系统、全面的研究。 此后，Ernst和Shull、Ernst和DoyleKereluk和Lloyd对EO的灭菌机理、影响因素、急慢性毒性、灭菌效果、腐蚀及其在环境中的变化进行了广泛而深入的研究。 自20世纪50年代起，EO开始用于医院灭菌。 据调查，20世纪90年代中期，美国几乎所有医疗机构都拥有EO灭菌设备。 而国内一些大城市，如北京、上海、广州等大部分大医院都配备了进口EO灭菌器。 由于最新的EO灭菌设备可以提供非常安全的保证，因此EO仍将是医院最重要的低温灭菌方法。

1. EO的理化性质

EO是一种简单的环氧化合物，分子式为C2H4O，分子量为44.05； EO液体无色透明，有芳香醚气味。 对于EO气味，空气浓度至少应>500ppm，远高于NIOSH（美国国家职业健康与职业病协会）制定的EO最大允许暴露水平。 EO易燃易爆，其最低燃烧浓度为3%（30000ppm）； 为了防止EO爆炸和燃烧，常添加惰性气体。 EO在4℃时比重为0.884，沸点为10.7℃，密度为1.52，因此EO液体在室温下很容易挥发成气体； 由于EO的比重比水轻，如果直接将EO排放到水中，可能会有大量的EO溢出到周围环境中，所以一般情况下，医院内的EO排放可以先进行气氛的选择。 当EO遇到水时，可以形成乙二醇。 EO的蒸气压较大（表1），蒸气压越大，对物体的渗透性越强； 据悉，EO可在5分钟内穿透0.1毫米厚的聚乙烯或聚氯乙烯薄膜，22分钟即可穿透0.04毫米厚的薄膜。 毫米厚的尼龙膜，26分钟可穿透0.3毫米氯丁橡胶布，41分钟可穿透0.39毫米厚的丁二烯橡胶布。 因为为了充分达到对物品的灭菌效果，灭菌剂必须能够充分接触物品的各个表面（内、外、浅、深）。 EO的这种高渗透性大大提高了其灭菌效果

2、环氧乙烷的灭菌原理

EO可杀灭多种微生物，包括细菌繁殖体、孢子、病毒和真菌孢子，是一种广谱杀菌剂。 一般认为，这是由于其与微生物蛋白质、DNA和RNA发生非特异性烷基化(non2specificalkallation)所致。 EO在水溶液中可以与蛋白质上的游离羧基（COOH基（2NH2）、巯基（2SH）和羟基（2OH）进行烷基化，取代不稳定的氢原子，形成羟乙基（CH2CH2OH））化合物，其上的基团蛋白质被烷基化，使蛋白质失去基本代谢所需的反应基团，阻碍细菌蛋白质的正常化学反应和代谢，导致微生物死亡。 到目前为止，所有数据都表明EO的杀菌作用是不可逆的，也就是说，EO是一种灭菌剂而不是消毒剂。 根据各种临床和科学研究结果，EO是所有化学消毒剂或灭菌剂中杀菌效果最好的一种化学消毒剂。 环氧乙烷可抑制一些微生物酶的活性，包括磷酸激活酶、肽酶、胆碱酯酶和胆碱酯酶。 环氧乙烷还可以与DNA和RNA产生烷烃，烷基化导致微生物失活。

3、EO灭菌的优缺点及临床应用范围

3.1 环氧乙烷

(1)EO灭菌的优点可用于不耐高温、高湿的物品的灭菌。 (2)环氧乙烷被认为是灭菌效果最好的化学灭菌剂，可以杀死包括细菌芽孢在内的所有微生物。 (3)穿透力强，可用于各种难渗透部位的灭菌：对于一些较细较长的导管，用其他低温灭菌方法很难达到灭菌效果，只能采用EO或照射。 (4)物品损坏少。 由于EO是利用烷基化而不是氧化的原理来杀灭微生物，因此对物品的损害很小，对于耐热精密仪器的灭菌有非常广泛的用途。 （5）灭菌时可用各种包裹材料包裹，方便储存和运输，打开包装后即可使用，避免交叉污染的风险。 （6）有标准的化学和生物监测方法，有效控制灭菌质量，及时检测灭菌失败的包装物。 (7)数十年的使用经验。

3.2 环氧乙烷灭菌的缺点

(1)整个灭菌周期需要较长时间，因为需要较长时间的通风来去除EO残留。

(2) EO有毒，疑似致癌物。 室内空气中EO浓度必须控制在国家标准以下。

（3）EO易燃易爆，储存和灭菌过程中不得泄漏。 必须选择安全的灭菌器，才能安全操作和储存。

3.3 EO的临床应用范围

EO具有广泛的临床用途。 环氧乙烷灭菌常用的设备和仪器包括：

(1)硬性和软性内窥镜：关节镜、支气管镜、膀胱镜、胃镜、结肠镜、纵隔镜、检眼镜、耳镜、咽镜、直肠镜、前列腺镜、胸腔镜、尿道镜。

（2）医疗设备：麻醉设备、人工肾、透热设备、电线、仪表、心肺机、呼吸、治疗设备、血液透析。

（3）器械：电钻、电燃烧器、电刀笔、牙钻、显微手术器械、神经刺激器、压力表、手术器械、骨钻、针、人工关节。

(4)橡胶制品：导管、扩张器、引流管、气管插管、手术手套、床单。

（5）塑料制品：气道插管、扩张器、气管插管手套、起搏器、心脏瓣膜、雾化器、培养皿、注射器等。

(6)其他书籍、玩具、线性探条、探条、温度计、缝线。 因此，EO过去、现在、将来仍然是最重要的低温灭菌方法。

4、EO灭菌关键参数如何控制

EO灭菌过程关键参数的控制是保证灭菌质量的关键。 灭菌的关键参数是灭菌时腔内的EO浓度、湿度、温度和时间。 这些关键因素直接影响灭菌效果； 每个关键因素的程度可能有所不同，但它们必须相互平衡。

4.1 时间

气体灭菌不是一个快速的过程。 灭菌时间必须足以杀死微生物。 时间长短受以下因素影响： 灭菌物品的清洁度； 微生物的水分和水含量； 所用包装材料的类型和密度； 包装的尺寸和灭菌负荷的装载情况； 环氧乙烷的浓度； 灭菌时的温度； 由于灭菌包内所装物品的制造材料和包装材料不同，灭菌时间也不同。 灭菌时间必须保证装载物中最难处理的物品能够达到灭菌效果。 相同条件下，不同的装载方式和装载量也会影响灭菌时间。 灭菌器的温度和EO浓度也会影响灭菌周期时间； 温度或EO浓度越高，所需灭菌时间越短； 温度越低，灭菌时间越长或需要更高的EO浓度灭菌时间，同时还受到锅内压力和EO气体循环方式的影响； 有效的EO气体循环有助于锅内负载的均匀润湿和加热。气体灭菌时间应短。 一般医院使用的消毒机的消毒时间在1到5小时不等。 一般来说，纯EO的灭菌时间比EO混合气体短。 时间长短必须以灭菌器制造商的产品手册为准。

4.2 温度

EO灭菌过程中，温度会影响微生物的杀灭率。 据计算，温度每升高10℃，芽孢杀灭率增加一倍，温度可以增加EO的渗透力。 对于医院使用的灭菌器，温度一般设置在49℃至60℃之间。 对于少数不能耐受此温度的物品，可以选择35～38℃之间，但此时必须提高EO浓度或延长灭菌时间。 灭菌阶段温度下降可能导致灭菌失败； 根据AAMI要求，灭菌器温度误差<±5℃； 灭菌器的温度通常是预先设定的，针对不同的需要，常设置两个温度（如37℃和55℃）。

4.3 环氧乙烷浓度

EO的浓度通常以mg/L表示。 医院灭菌器常用浓度为450-750mg/L。 在一定的温度和相对湿度水平下，EO浓度增加（从50-500mg/L），微生物被杀死。 随着EO浓度达到最高点，速率也显着增加，灭菌时间相应缩短。 但当EO浓度>500mg/L时，并不能明显提高微生物的灭活率，甚至降低杀灭率。实际灭菌时，所选浓度应高于最高浓度。由于考虑了 EO 损失（包括 EO 水解、吸附等）的相对浓度点。

4.4 相对湿度

灭菌物品的含水量、微生物本身的干燥环境以及灭菌环境的相对湿度对EO的灭菌效果至关重要。 其微生物杀灭能力是相对湿度0时的10倍。主要原因是：（1）水是碱化反应过程中必需的反应物。 水与EO反应，打开其环氧基团，促进其与微生物的相互作用。 (2)水促进EO的渗透。 干EO的渗透率大大降低。 (3)加湿可以帮助加热待灭菌物体达到设定温度。

4.4.1 预湿

灭菌后的物料必须先预湿，一般要求将灭菌后的物料放置在相对湿度50%的环境中>2小时； 第二步，锅内要保持足够的湿度，以杀灭微生物。 许多研究数据证实，灭活微生物的理想相对湿度为30%左右。 但实际上，EO罐所需的相对湿度范围是40%至80%，以确保有足够的动力将水分推入包装和物品中。 。 但必须注意待灭菌物品上不能有水滴或过多水分，以免EO被稀释和水解。 嘉宇检测网提醒，细菌含水量与灭菌环境湿度的相对比例对EO的灭菌效果也有显着影响。

4.4.2 加湿方法

比较落后的方法是在腔体内添加除湿片或湿毛巾。 主要缺点是湿度难以控制且无法加热物品。 目前新的加湿方式是在负压条件下自动喷出水蒸气。 这个过程也称为加湿。 阶段通常需要>20分钟。 其优点是：湿度均匀； 更容易控制湿度水平； 加热物品的能力。 20世纪90年代末，最新的灭菌器配备了湿度检测器，可以直接监测锅内的相对湿度水平。 如果达不到最低相对湿度，会自动停止灭菌并重新加湿。 温度、时间、浓度和湿度是影响EO灭菌效果的关键参数，但与压力蒸汽和干热灭菌不同，有理想的参数值才能达到灭菌效果，因此很难指定准确的灭菌参数。

5. EO灭菌包装材料要求

用于环氧乙烷灭菌的包装材料必须至少具有以下特性： 必须允许环氧乙烷灭菌器进入； 能承受一定的湿度； 可以轻松去除EO残留。 常见的EO包装材料如表3所示。

6.环氧乙烷的毒性

6.1 急性毒性

6.1.1 临床表现

吸入大量环氧乙烷会导致呼吸道刺激、头晕、虚弱、恶心和呕吐（立即或之后）、胸痛和神经毒性反应。 液体环氧乙烷会引起皮肤刺激、皮炎和水泡。 眼睛接触EO会造成严重的眼睛损伤，高浓度气体飞溅会造成严重的眼睛刺激和损伤。消化道接触EO是一种不常见的接触途径。 液态EO进入消化道并具有腐蚀性，对胃肠粘膜造成严重刺激和烧伤。

6.1.2 急救处理

过量接触EO后，迅速将患者移离中毒现场，立即呼吸新鲜空气，并尽快就医。 皮肤接触后，用水冲洗接触部位>15分钟，脱掉脏衣服，用水和肥皂清洗污染部位，并尽快就医。 如果您的眼睛接触到液体 EO 或高浓度 EO 气体，请冲洗眼睛至少 10 分钟，并立即就医。 接触消化道后，尽快通知医生或中毒控制中心，喝1至2杯水，并用手触摸喉咙后部催吐； 如果您失去知觉，请勿催吐或喂食任何东西。

6.2 慢性毒性

6.3 关于环氧乙烷对人体的慢性毒性，Joyner（1964）对一家生产环氧乙烷的工厂进行了调查。 调查工人平均工龄>10年，车间空气中EO浓度为5-10ppm。 结果没有发现明显异常，实验室结果也没有发现慢性中毒的证据。 美国NIOSH（美国国家职业健康与职业病研究所）分析了20世纪80年代全国14家工厂18,254名接触EO的工人的死亡原因。 在此期间，工作环境中EO的TWA（8h平均时间加权浓度）为4ppm，结果发现：除白血病和淋巴瘤略有上升外，其他肿瘤和其他慢性病的死亡率均在正常范围内，但没有证据表明白血病和淋巴瘤的增加与接触EO有关； 但NIOSH（1989）仍将EO视为疑似致癌物，并可能具有生殖毒性和神经毒性。 1984年，鉴于EO是疑似致癌物，NIOSH规定TWA和PEL（允许暴露水平）从<50ppm降低到<1ppm； 对于 AL，可能不需要或减少常规环境浓度监测。

7. EO排放与环境控制

7.1 EO安全保护原则

环氧乙烷是一种易燃易爆化学品。 当空气中浓度>3%时，就会发生爆炸。 操作过程中必须遵守以下安全原则。

(1) 使灭菌器和气瓶（或储气罐）远离火源，如火柴：1EO、点燃的烟头、火花和静电。

（2）EO气瓶或储罐应严格按照国家有关易燃易爆物品储存要求进行处理。

(3)EO灭菌环境空气中的浓度必须较高。

（4）对作业人员进行专业知识和应急处理的培训。

(5)按照制造厂的要求定期对EO灭菌设备进行清洁、维修和调试。

(6)EO在储存瓶、输送管道、灭菌柜内有聚集倾向。 管道、灭菌器、储存瓶应经常清洗。

7.2 环氧乙烷灭菌器的安装要求

EO易燃、易爆、有毒，因此EO灭菌器必须放置在通风良好的地方，不宜安装在通风不良或空间太小的地方； 请勿将环氧乙烷罐或煤气罐放置在靠近火源的地方，并尽量远离主要交通干道。 为便于日后维护和定期保养，EO锅两侧（含）上方应预留51cm的空间。 房间通风系统不宜采用再循环式，室内空气交换量每小时至少>10次。 菌罐应配备专用排气管，并应与建筑物内的其他排气管安全隔离。 进入室内的空气必须能够流经灭菌器、EO锅，然后排出室外，并且尽可能没有死角。 卫生间和储藏室应远离消毒器和气瓶（气罐储藏室）。 如果有适当的空间和局部排风系统，则无需在特殊房间安装EO灭菌器。 嘉宇检验网提醒，通风系统应包括：（1）室内空气交换至少每小时>10次，并保证灭菌区域处于负压（与其他工作区域相比）。 (2)专用EO排气管系统。 (3)合理的气流方式。 (4)局部排风罩。

7.3 环氧乙烷的排放

关于EO的排放，1994年，美国EPA（环境保护署）主要对商业灭菌有明确的排放规定，但对医院没有明确的排放规定。 CFC（氟里昂）作为防爆剂，可以防止EO爆炸。 但由于CFC破坏臭氧层，1987年中国、美国等22个国家签署《蒙特利尔公约》，逐步禁止使用CFC。 美国等发达国家已于1996年1月禁止使用CFCs，我国也明确了禁止使用CFCs的时间表。

7.3.1 安装要求

医院环氧乙烷排放首选排入大气。 安装时应满足以下要求： （1）必须有专用的排气管道系统。 （2）排风管道材质必须为EO防渗材料，如铜管等。 （3）周围7.6m范围内不得有易燃材料或建筑进风口，如门、新风口、开窗等。排气管出口。 (4)排气管垂直部分长度>3m时，必须安装集水器。 请勿使排气管凹陷或形成环形，导致冬季水蒸气积聚或结冰而堵塞管道。 (5)排气管应引至楼顶，出口处倒转向下，防止潮气残留在管壁上或造成管壁堵塞。 （6）必须聘请专业安装工程师，按照EO灭菌器生产厂家的要求进行安装。

7.3.2 安装方法

如果只能排入水中，大多数排水管装置都存在气隙，可能导致 EO 溢出。 来自灭菌锅的热空气也会产生向上的气流，将EO向上推动并排出。 因此，必须绝对保证EO气体不会回流到工作环境中。 可采用以下方法： (1)可在EO灭菌锅排气口外安装EO收集箱，立即排除EO蒸汽。 环氧乙烷收集箱应包围所有露天下水道，并且整个下水道系统必须密封。 (2)可安装液/气分离器，液体可直接排入下水道，气体可按前述方法排出。 (3)这种排气方式必须安装在通风良好、最好是无人值守的厂房内，排气口呈负压。 解毒方法：如有条件，可将EO解毒后排出。 工业灭菌的EO必须经过去毒处理，而医院灭菌如果没有特殊规定可以直接排入大气（医院使用的EO量很少）。 一般可采用以下解毒方法：（1）添加催化剂，将EO分解成二氧化碳和水，然后直接排放到大气中。 此方法特别适合医院使用。 (2)吸收器吸收EO。 该方法只能处理少量EO，可用于通风柜或临时排放。 (3)酸水解，可用浓硫酸将EO分解成乙二醇和二氧化碳。 该方法主要用于工业上。 (4)回收，由于投资较高，主要用于工业灭菌。

8. EO残留

EO残留主要是指EO灭菌后物品和包装材料中残留的EO及其两种副产物ECH（氯乙基乙烷）和EG（乙二醇乙烷）。 接触过多的EO残留（尤其是移植物）会对患者造成烧伤和刺激、溶血、细胞破坏等； EO残留的影响与以下因素有关。

8.1 材料类型

8.2 PVC和聚氨酯吸收EO较多，需要较长的通风时间。 聚四氟乙烯和尼龙吸收EO很少，但它们结合得很紧密，需要较长的通风时间。 聚乙烯和聚丙烯吸收适度，但在通风时容易释放。 金属和玻璃根本不吸收EO，因此一般无需通风即可直接使用。