对医疗器械的需求不断增长，对灭菌的需求也在不断增长，这使得所有可用的灭菌选项成为必要。大多数一次性医疗器械由仅能承受适度温度升高的聚合物制成。几十年来，环氧乙烷和伽马辐射一直是主要的“冷”灭菌方法。对这些方法的未来可用性的担忧，无论是否合理，以及对全球灭菌能力的潜在影响，都重新点燃了对替代技术的兴趣。其中包括电子束辐照和X射线辐照。
自 1950 年代以来，电子加速器已用于不同行业，主要用于改性聚合物，例如用于电缆绝缘体的聚乙烯交联。使用电子束对 1970 年代开发的医疗设备进行消毒。许多主要的医疗器械制造商都有现在采用电子束加速器作为内部灭菌解决方案，同时合同电子束照射的报价也有所增长。2011 年，第一家高功率 X 射线灭菌设备(现由 STERIS 拥有)在瑞士开始运营。自 2020 年以来，新投入运行的 EB-X 服务设施的数量超过了新的伽马设施数量。美国(靠近德克萨斯州达拉斯、马萨诸塞州诺斯伯勒、伊利诺伊州利伯蒂维尔)、德国、荷兰(芬洛)和泰国(春武里)已经或正在建设新的 X 射线能力。
与作为电离辐射源的钴 60 相比，加速器具有多种优势：
它们是耐用的电机，可以从许多供应商处采购。
可以暂停电离辐射的发射。
它们的安全特性使许可和法规遵从变得更加容易。
但与伽马辐照器不同
它们是复杂的机器，需要大量的备件预算和技术专长，这通常通过维护合同来解决。
从第一天开始就可以满负荷使用，只有通过利用时间才能适应市场需求。当机器空闲时，不消耗电力。
电子加速器
加速器以光束的形式从机器中射出的电子以受控速度扫描产品以调整剂量，从而将动能水平提高。电子如何加速以及产品如何相对于光束暴露是不同类型机器的特征。除了许多技术细节之外，对于用户来说，一个关键因素最终是机器需要多少能量才能在产品中获得所需的剂量，以及所需的剂量分布。
加速器的两个主要特性是光束的能量和功率。
能量以兆电子伏特 (MeV) 或千电子伏特 (keV) 表示，电子伏特是可以转换为焦耳的能量单位。能量决定了光束可以穿透产品的深度。这反过来又决定了治疗的不均匀程度，通过最大剂量与最小剂量的比率(剂量均匀性比或 DUR)来量化。因此，就可以处理的产品和包装的类型和密度而言，能源是工艺能力的一个关键因素。通常，能量越高，机器越大，占地面积越大，屏蔽越大，投资成本也越高。
对于特定的能量和目标产品，加速器的吞吐量与其功率成正比，以千瓦 (kW) 表示。系统的功率越大，提供特定剂量所需的时间就越少。选择正确的功率是一项关键决策，必须基于对几年所需处理能力的预测。
电子加速器可用于产生两种类型的电离辐射：电子束和 X 射线。当束电子遇到放置在从加速器发出的束和产品之间的金属目标时，就会产生 X 射线。大部分入射电子能量以热量的形式消散，只有一小部分转化为 X 射线，这就解释了为什么在高功率、中高功率出现之前，X 射线不是一种商业上可行的医疗器械灭菌选择-能源加速器。能量产量(每消耗单位电能转化为产品的千克数)显然使电子束成为比 X 射线更有效的技术，但这必须与 X 射线提供的广泛的产品处理范围和灵活性相平衡。
电子还是 X 射线?或两者都有?
电子束的处理时间非常短。与伽马辐照的几个小时相比，灭菌剂量在几秒钟内完成。这意味着高功率电子束加速器的吞吐量可能非常大。高剂量率的另一个好处是材料氧化的时间非常短，这可以最大限度地减少对某些聚合物的不利影响。
加速电子的主要限制是相对于来自伽马射线或 X 射线的光子，它们在产品中的穿透力较差，因为它们具有质量和负电荷。然而，由于可以使用高达 10 MeV 的能量，电子束可以很好地与中低密度的均匀包装产品配合使用，例如纱布、窗帘、毛巾、绷带、伤口护理敷料、实验室器具、瓶子、盖子、容器、管组、手术托盘、导管。
对于仅需要表面灭菌或厚度和密度足够低(单个包装)的项目，使用由自体产生的低能电子(80-300 keV)或中能电子(高达 5 MeV)进行在线灭菌。屏蔽单元是可能的。在制药行业，全球有 30 多个单位使用电子束进行无菌灌装(1)。装有玻璃注射器的浴缸在电子束隧道中进行净化，以确保灌装区的无菌区保持完好无损。最近，市场上出现了一种使用脉冲电子束的新型在线电子束灭菌技术(2)。
超过一定的包装尺寸或密度，在指定剂量范围内用电子束处理在技术上是不可行的。那么 X 射线是不涉及放射性物质的辐射消毒替代方案。X 射线由传播和穿透的光子组成，类似于伽马辐射中的光子。剂量分布与伽马辐照一样好，有时甚至更好，而且处理时间更短。它们具有穿透性，并被视为甚至更均匀地作为伽马辐射处理，也允许处理完整的托盘。
电子束和 X 射线之间的选择将取决于包装尺寸、密度、几何形状以及指定的最小和最大剂量之间的间隔(需要 DUR)。
双技术系统(EB 和 X)是混合解决方案，以适应具有不同 DUR 公差的产品。这些双重系统的优势在于它们提供的灵活性，可以用一种技术处理某些产品，而用另一种技术处理其余产品。但是，它们总是针对一种技术进行优化，因为它们是具有 X 射线功能的电子束系统或具有电子束功能的 X 射线系统。这种双重系统是在待灭菌产品非常多样化的情况下采用的折衷方案。
改变灭菌方式
医疗器械制造商所处的监管环境往往使他们变得保守。虽然不一定是最佳的，但伽马辐照是一种熟悉且简单因此舒适的选择，特别是对于过于昂贵而无法重新验证的旧产品。考虑转换需要努力，即使在监管机构中也缺乏关于电子束，尤其是 X 射线的知识，这可能会阻碍这些努力。关于辐射灭菌的 ISO 11137-1 标准适用于所有三种方式，但用于伽马辐射的次数远远多于其他两种类型的电离辐射。在过去三年中，各种利益相关者都试图帮助医疗器械制造商考虑可能的改变。
在美国，由太平洋西北国家实验室 (PNNL) 运营的“Nablo 团队”项目组织了一次由主要医疗设备制造商参与的行业合作，以填补关于材料与不同类型电离辐射兼容性的知识空白(3)。2020 年，伽马和电子辐照专家组总结了 EN ISO 11137-1 中在改变辐射灭菌方式时的规范要求，尤其是从伽马射线到 X 射线(4)。生物工艺过程系统联盟 (BPSA) 制定了一项测试策略，以使大部分已经到位的鉴定数据能够充分利用用于 X 射线(5). 国际辐照协会 (iia) 发布了加速器买家指南，以帮助制造商做出投资决策(6)。AAMI 将于2022 年初发布 AAMI TIR 104，题为在辐射站点或方式之间转移产品。
结论
最近的发展清楚地表明基于加速器的电子束和 X 射线灭菌在可用灭菌方式中的重要性日益增加。这是外部因素的结果，例如需要更多的灭菌能力、对成熟模式的未来的担忧，因此需要对灭菌能力进行风险管理。这也是加速器技术进步和创新的结果。最近机器的设计和组件使它们更加可靠。该产品已大大扩展和多样化，尽管仍保留一定程度的复杂性，但改进的界面使机器更加用户友好。为了更好地回应客户的问题和期望，许多制造商也降低了他们的技术含量。随着主要消毒承包商将 X 射线添加到他们提供的消毒技术范围内，对 X 射线的不熟悉程度即将改变。我们只是处于医疗灭菌加速器发展的起步阶段。
