RU2008923C1

RU2008923C1 - Method for sterilization of articles having medicinal purposes

Info

Publication number: RU2008923C1
Authority: RU
Inventors: А.Д. Кипчакбаев; Б.А. Лавров; А.С. Слепченко; А.О. Федотов; Г.А. Скороход
Original assignee: Кипчакбаев Александр Джарасович; Лавров Борис Александрович; Слепченко Александр Степанович; Федотов Андрей Олегович; Скороход Геннадий Алексеевич
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: method involves preliminary treatment of articles in active medium followed by treatment in gas-discharge plasma of glow discharge, specific volume power of discharge being 0,01-0,8 W/cm³. The former process is carried out within 5-40 min, the latter process is carried out within 1-30 min. Above mentioned active medium contains acids having lower oxidizing degree and pH 1-3. Said acids are prepared by treatment of aqueous salt solution (e. g. common salt) having concentration 0.01-0.5 mass % . The process takes place in anode zone of diaphragm electrolyzer. EFFECT: increases reliability of the process, simplifies the process. 4 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для стерилизации предметов медицинского назначения, а также др. предметов, требующих стерильности. The invention relates to medical equipment and can be used to sterilize medical devices, as well as other items requiring sterility.

Известны традиционные методы стерилизации, включающие химические (в т. ч. парами антисептических веществ), например формальдегидом, окисью этилена, надуксусной кислотой, пероксидом водорода, азоном или окислами азота; физические методы: воздействие высоких температур (горячий воздух, пар под давлением), лучевая стерилизация (обработка γ -и β -лучами, нейтронами, направленными электронными лучами, УФ-лучами). Среди физических методов стерилизации в последнее время получили развитие методы обработки высокочастотными и сверхвысокочастотными электромагнитными полями, ионизированным газом и плазменные методы стерилизации, в т. ч. в плазме тлеющего разряда. Traditional sterilization methods are known, including chemical (including vapors of antiseptic substances), for example, formaldehyde, ethylene oxide, peracetic acid, hydrogen peroxide, azone or nitrogen oxides; physical methods: exposure to high temperatures (hot air, steam under pressure), radiation sterilization (treatment with γ and β rays, neutrons directed by electron rays, UV rays). Among the physical sterilization methods, methods have recently been developed for treating high-frequency and microwave frequencies with electromagnetic fields, ionized gas, and plasma sterilization methods, including in a glow discharge plasma.

Недостатком химических методов обработки является загрязнение стерилизуемых предметов и материалов остатком токсических веществ, удаление которых требует дополнительной обработки и во многих случаях затруднен. Термические методы требуют длительного времени выполнения; ряд объектов стерилизации не выдерживают высоких температур, что ограничивает область применения этих методов. The disadvantage of chemical processing methods is the contamination of sterilized objects and materials with the remainder of toxic substances, the removal of which requires additional processing and in many cases is difficult. Thermal methods require a long lead time; a number of sterilization objects cannot withstand high temperatures, which limits the scope of these methods.

Радиационные и электронные методы стерилизации предъявляют высокие требования к радиационной защите, а также ограничены необходимостью направленного экспозиционного облучения стерилизуемой поверхности. Возможно и дейструктивное воздействие на исходные материалы. Кроме того, они требуют дорогостоящего оборудования. Radiation and electronic sterilization methods place high demands on radiation protection, and are also limited by the need for directed exposure to the sterilized surface. A destructive effect on the starting materials is also possible. In addition, they require expensive equipment.

Стерилизация ультрафиолетовым облучением недостаточно эффективна при воздействии на широкий спектр микроорганизмов и может быть использована в сочетании с другими методами обработки. UV sterilization is not effective enough when exposed to a wide range of microorganisms and can be used in combination with other processing methods.

Воздействие ВЧ или СВЧ электромагнитными полями ограничено обработкой неметаллических предметов, а также требуют высокой мощности воздействия. Exposure to high-frequency or microwave frequencies by electromagnetic fields is limited to the processing of non-metallic objects, and also require high power exposure.

Известен способ стерилизации материалов и предметов методом воздействия ионизированным газом, предпочтительно аргоном (пат США N 3948601, кл. А 61 L 1/00), создаваемым в низкотемпературной плазме тлеющего разряда. Недостатком способа является большая длительность процесса обработки до полной стерилизации объекта, так как плазменная камера и стерилизационная камера пространственно разнесены и стерилизующий эффект в основном обусловлен слабо ионизированным газом. A known method of sterilization of materials and objects by exposure to ionized gas, preferably argon (US Pat. N 3,948,601, class A 61 L 1/00), created in a low-temperature glow discharge plasma. The disadvantage of this method is the long duration of the processing process until the object is completely sterilized, since the plasma chamber and the sterilization chamber are spatially separated and the sterilizing effect is mainly due to weakly ionized gas.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ плазменной стерилизации предметов непосредственно в тлеющем разряде при использовании паров пероксида водорода (пат. США N 4643876, кл. А 61 L 2/14) в качестве плазмообразующего газа. Основное стерилизующее действие оказывают продукты пероксида водорода и его разложения в плазменном разряде, при этом продукт после стерилизации не содержит токсических веществ. The closest in technical essence and the achieved effect is a method of plasma sterilization of objects directly in a glow discharge using hydrogen peroxide vapor (US Pat. US No. 4643876, class A 61 L 2/14) as a plasma-forming gas. The main sterilizing effect is exerted by products of hydrogen peroxide and its decomposition in a plasma discharge, while the product after sterilization does not contain toxic substances.

Недостатком способа является сложное аппаратурное оформление процесса, включающего систему вакуумного впрыска пероксида водорода и организацию пульсирующей плазмы, использование химического реагента, узкий диапазон технологических параметров, ограниченный верхними пределами частоты генерации плазменного разряда и его мощностей, так как происходит разложение паров пероксида водорода до его контакта с поверхностью стерилизуемых объектов. Следствием этих недостатков - недостаточно высокая надежность стерилизации. The disadvantage of this method is the complex hardware design of the process, including a vacuum injection system of hydrogen peroxide and the organization of a pulsating plasma, the use of a chemical reagent, a narrow range of technological parameters, limited by the upper limits of the frequency of generation of a plasma discharge and its capacities, since hydrogen peroxide vapor decomposes before it comes in contact with the surface of the sterilized objects. The consequence of these shortcomings is the insufficiently high sterilization reliability.

Целью изобретения является повышение надежности стерилизации и упрощение технологического процесса. The aim of the invention is to increase the reliability of sterilization and simplification of the process.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе стерилизации, включающем предварительную обработку стерилизуемых объектов в активной среде, в качестве активной среды предварительной обработки используют водный солевой раствор, например поваренной соли, обработанный в анодной зоне диафрагменного гидролизера (анолит). Для получения анолита используют водный раствор поваренной соли с концентрацией 0,01-0,5 мас. % , а предварительную обработку в анолите проводят в течение 5-40 мин при кислотности рН = 1-3. Последующую обработку в высокочастотном газовом разряде (тлеющем) проводят в течение 1-30 мин при объемной мощности разряда 0,01-0,8 Вт/см³.This goal is achieved by the fact that in the known method of sterilization, including pre-treatment of sterilized objects in an active medium, an aqueous saline solution, for example sodium chloride, processed in the anode zone of a diaphragm hydrolyzer (anolyte) is used as an active pre-treatment medium. To obtain the anolyte use an aqueous solution of sodium chloride with a concentration of 0.01-0.5 wt. %, and pre-treatment in anolyte is carried out for 5-40 minutes at an acidity of pH = 1-3. Subsequent processing in a high-frequency gas discharge (glow) is carried out for 1-30 minutes at a volumetric discharge power of 0.01-0.8 W / cm ³ .

Сущность изобретения заключается в том, что анолит, получаемый из раствора поваренной соли с кислотностью рН = 1-3, обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом. При погружении стерилизуемых объектов в анолит он хорошо смачивает поверхность и проникает в мелкие поры. Стерилизующее действие анолита заключается в воздействии на оболочки спор и бактерий с частичным их разрушением, например кальциевого каркаса спор Bacillus subtilis, после чего воздействие на них газоразрядной плазмы тлеющего разряда приводит к полной стерилизации. Уменьшение спороцидной активности при обработке только анолитом имеет место, однако степень стерилизации не велика и составляет 10^-2-10^-3. Стерилизация в высокочастотной газоразрядной плазме тлеющего разряда происходит за счет образования активных частиц, обладающих достаточно высокой энергией для разрушения микроорганизмов и полной стерилизации объектов. Однако концентрация активных частиц определяется объемной мощностью разряда и ограничена возможной температурой разогрева объекта. Поэтому и целесообразна стадия предварительной обработки стерилизуемых объектов, позволяющих уменьшить объемную мощность плазменного разряда, необходимую для полной стерилизации. В указанных пределах объемной мощности разряда без предварительной стадии обработки объектов степень стерилизации на споровых культурах Baillus subtilis не превышает 10^-1-10^-4 (таблица, пример 32-34), так как объемная мощность, подводимая в разряд, т. е. концентрация активных частиц, недостаточна для полной стерилизации. Для генерации плазмы используют частоты 5-28 МГц (в прототипе до 3,5 МГц), так как повышение частоты генерации увеличивает эффективность образования активных частиц и, как следствие, повышает надежность стерилизации. Вследствие отличий в способах организации стадий предварительной стерилизации по сравнению с прототипом отсутствуют ограничения на верхний предел частоты по стерилизуемому эффекту. Использование частот ниже 5 МГц не целесообразно из-за значительного снижения степени стерилизации и необходимости введения в плазму химических реагентов. Увеличение частоты свыше 28 МГц вызывает нагрев диэлектриков, находящихся в зоне разряда, и повышение среднемассовой температуры плазмообразующего газа более 100^оС за счет разогрева тяжелых частиц атомов и ионов газа, что может привести к необратимым изменениям в структуре обрабатываемых объектов. Совокупность обеих стадий обработки объектов в оптимальных условиях приводит к полной стерилизации. При обработке объекта в анолите при рН = 1-43 в течение 30 мин и последующей плазменной обработке в оптимальных режимах остаточная спороцидная активность составляет от нуля до 2˙10^-5 (таблица). С понижением рН более 3 уменьшается окислительно-восстановительный потенциал анолита и снижается степень стерилизации. Время обработки менее 5 мин также снижает степень стерилизации а свыше 40 мин практически не увеличивает эффективность предварительной обработки. При концентрации поваренной соли в растворе для приготовления анолита менее 0,01% также снижается эффективность предварительной обработки, что связано с уменьшением содержания хлорноватистой кислоты в анолите ниже минимального предела.The essence of the invention lies in the fact that the anolyte obtained from a solution of sodium chloride with an acidity of pH = 1-3, has a high redox potential. When immersed sterilized objects in the anolyte, it moistens the surface well and penetrates into small pores. The sterilizing effect of the anolyte consists in exposing the membranes of spores and bacteria to their partial destruction, for example, the calcium framework of Bacillus subtilis spores, after which exposure to a gas discharge glow discharge plasma leads to complete sterilization. A decrease in sporocidal activity when treated only with anolyte takes place, however, the degree of sterilization is not large and is 10 ^-2 -10 ^-3 . Sterilization in a high-frequency gas-discharge glow discharge plasma occurs due to the formation of active particles with sufficiently high energy for the destruction of microorganisms and complete sterilization of objects. However, the concentration of active particles is determined by the volumetric power of the discharge and is limited by the possible temperature of heating the object. Therefore, it is advisable that the preliminary processing of the sterilized objects, allowing to reduce the volumetric power of the plasma discharge necessary for complete sterilization. Within the indicated limits of the volumetric power of the discharge without a preliminary stage of processing the objects, the degree of sterilization on the spore cultures of Baillus subtilis does not exceed 10 ^-1 -10 ^-4 (table, example 32-34), since the volumetric power supplied to the discharge, i.e., the concentration active particles, insufficient for complete sterilization. For plasma generation, frequencies of 5-28 MHz are used (up to 3.5 MHz in the prototype), since an increase in the generation frequency increases the efficiency of formation of active particles and, as a result, increases the reliability of sterilization. Due to differences in the methods of organizing the stages of pre-sterilization in comparison with the prototype, there are no restrictions on the upper frequency limit for the sterilized effect. The use of frequencies below 5 MHz is not advisable due to a significant reduction in the degree of sterilization and the need for the introduction of chemical reagents into the plasma. Increased frequency above 28 MHz causes heating dielectrics located in the discharge zone, and increasing the average temperature of the plasma gas over 100 ^{° C} due to heating of the heavy particles and gas atoms, ions, which can lead to irreversible changes in the structure of the processed objects. The combination of both stages of processing objects in optimal conditions leads to complete sterilization. When processing an object in anolyte at pH = 1-43 for 30 min and subsequent plasma treatment in optimal conditions, the residual sporocidal activity is from zero to 2˙10 ^-5 (table). With a decrease in pH of more than 3, the redox potential of the anolyte decreases and the degree of sterilization decreases. A treatment time of less than 5 minutes also reduces the degree of sterilization, and over 40 minutes practically does not increase the effectiveness of the pre-treatment. When the concentration of sodium chloride in the solution for preparing the anolyte is less than 0.01%, the effectiveness of the preliminary treatment also decreases, which is associated with a decrease in the content of hypochlorous acid in the anolyte below the minimum limit.

При концентрации поваренной соли свыше 0,5% в процессе приготовления анолита в газовую фазу выделяется избыточный хлор, на образцах после плазменной обработки обнаруживаются следы хлоридов. Кроме того, увеличение содержания поваренной соли свыше 0,5% незначительно увеличивает эффективность обработки в анолите. Для стерилизации, кроме водного раствора поваренной соли, могут быть использованы растворы других солей, дающих при получении анолита кислоты низших степеней окисления. Экспериментально установлено, что оптимальный уровень удельной объемной мощности плазменного разряда для стерилизации объектов после обработки в анолите лежит вблизи 0,1 Вт/см³. При удельной мощности ниже 0,01 Вт/см³ не достигается необходимый стерилизующий эффект даже при значительной продолжительности обработки. При удельной мощности свыше 0,8 Вт/см³ продолжительность плазменной обработки снижается до 1,5 мин. Потому дальнейший рост объемной мощности не целесообразен. Кроме того, в процессе обработки увеличивается нагрев объектов свыше 100^оС.When the concentration of sodium chloride is more than 0.5% during the preparation of the anolyte, excess chlorine is released into the gas phase, traces of chlorides are found on the samples after plasma treatment. In addition, an increase in sodium chloride content over 0.5% slightly increases the processing efficiency in the anolyte. For sterilization, in addition to an aqueous solution of sodium chloride, solutions of other salts can be used which, when the anolyte is obtained, give acids of lower oxidation states. It was experimentally established that the optimal level of specific volumetric power of a plasma discharge for sterilizing objects after treatment in anolyte lies near 0.1 W / cm ³ . When the specific power is below 0.01 W / cm ^{3 the} required sterilizing effect is not achieved even with a significant processing time. With a specific power of more than 0.8 W / cm ^{3 the} duration of the plasma treatment is reduced to 1.5 minutes Therefore, further growth in volumetric power is not advisable. In addition, during processing, the heating of objects increases above 100 ^o C.

Примеры осуществления способа. Исследование проводили на лабораторной плазменной установке с реактором емкостью 12 дм³ и высокочастотным генератором, позволяющим регулировать частоту в пределах от 5,2 до 28 МГц и величину подводимой мощности до 15 кВт. Давление в плазменном реакторе в пределах 1-10 мм р/с, преимущественно 1,5-2 мм р/с, поддерживали с помощью форвакуумного насоса. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух, кислород, смесь аргона с воздухом, пары пероксида водорода. Анолит приготавливали в диафрагменном гидролизере из водного раствора поваренной соли с концентрацией от 0,01-1,0 мас. % . Кислотность анолита измеряли рН-метром и в процессе получения регулировали величиной и длительностью воздействия тока. В качестве тестовой культуры для определения эффективности стерилизации использовали споры Bacillus subtilis, нанесенные на поверхность полиэтиленовых наконечников или стальных зубных боров. Режимы обработки указаны в таблице по опытам. Степень стерилизации (спороцидную активность) определяли, как отношение числа сохранившихся организмов после стерилизации к числу организмов в контрольных пробах. В контрольных образцах величина спороцидной активности после контаминации была равна 0,8-1,0˙10⁺⁶. Контаминированные образцы погружали в свежеприготовленный раствор анолита и выдерживали в нем определенное время (таблица). Затем влажные образцы помещали в разрядную камеру, заполненную плазмообразующим газом, с помощью вакуумного насоса создавали рабочее давление и инициировали разряд. Продолжительность обработки в анолите и плазменном разряде определяли экспериментально. Результаты опытов сведены в таблицу. Опыт 27 соответствует условиям прототипа. По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет получить стерилизующий эффект без применения химических реагентов. Кроме того, нет жестких ограничений по уровню мощности подводимой в разряд и частоты генерации, что повышает надежность стерилизации. Отсутствие вакуумного впрыска химического реагента и организации пульсирующего подвода энергии упрощает аппаратурное оформление процесса.Examples of the method. The study was conducted on a laboratory plasma installation with a reactor with a capacity of 12 dm ³ and a high-frequency generator, which made it possible to control the frequency in the range from 5.2 to 28 MHz and the amount of input power up to 15 kW. The pressure in the plasma reactor in the range of 1-10 mm r / s, mainly 1.5-2 mm r / s, was maintained using a foreline pump. As a plasma-forming gas, air, oxygen, a mixture of argon with air, and hydrogen peroxide vapor were used. Anolyte was prepared in a diaphragm hydrolyzer from an aqueous solution of sodium chloride with a concentration of from 0.01 to 1.0 wt. % The acidity of the anolyte was measured with a pH meter and in the process of obtaining it was regulated by the magnitude and duration of the current exposure. As a test culture, Bacillus subtilis spores applied to the surface of polyethylene tips or steel tooth burs were used to determine the effectiveness of sterilization. Processing modes are indicated in the table of experiments. The degree of sterilization (sporocidal activity) was determined as the ratio of the number of surviving organisms after sterilization to the number of organisms in control samples. In control samples, the value of sporocidal activity after contamination was 0.8–1.0–10 ⁺⁶ . Contaminated samples were immersed in a freshly prepared anolyte solution and kept there for a certain time (table). Then, wet samples were placed in a discharge chamber filled with a plasma-forming gas, a working pressure was created using a vacuum pump and discharge was initiated. The duration of treatment in anolyte and plasma discharge was determined experimentally. The results of the experiments are summarized in table. Experience 27 meets the conditions of the prototype. Compared with the prototype, the proposed method allows to obtain a sterilizing effect without the use of chemicals. In addition, there are no strict restrictions on the level of power supplied to the discharge and the generation frequency, which increases the reliability of sterilization. The absence of a vacuum injection of a chemical reagent and the organization of a pulsating energy supply simplifies the hardware design of the process.

Claims

1. METHOD OF STERILIZATION OF OBJECTS OF MEDICAL PURPOSE, including its preliminary treatment in an active medium and in a gas-discharge plasma, characterized in that the preliminary treatment is carried out in anolyte obtained by treating aqueous salt solutions in the anode zone of a diaphragm hydrolyzer with an acidity of pH 1-3.

2. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary processing of the object is carried out in anolyte for 5 to 40 minutes

3. The method according to p. 1, characterized in that the processing of the object in a high-frequency gas-discharge plasma is carried out for 1 to 30 minutes at a specific volumetric discharge power of 0.01 - 0.8 W / cm ³ .

4. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the anolyte is obtained from an aqueous solution of sodium chloride in a concentration of 0.01 to 0.5 wt. %