评估辐照过程对用于医疗器械的耐辐射聚丙烯材料最终性能的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：Assessment of the impact of the irradiation process on the final properties of radiation-resistant polypropylene materials used for medical devices

本研究评估了电子束、X射线和伽马射线对聚丙烯材料的机械性能、结构变化及颜色稳定性的影响。通过分析不同辐照剂量（30、45、85 kGy）下的聚丙烯样品，发现伽马射线因低剂量率导致最显著降解，电子束影响最小，X射线介于两者之间。研究强调选择具有合适放射耐受性的聚丙烯配方对新型辐照技术的应用至关重要。

　　

Flavie PETROS | Hélène GARAY | Aurélie TAGUET | Belkacem OTAZAGHINE | Rodolphe SONNIER | Nicolas LUDWIG | Abbas NASREDDINE | Florent KUNTZ | Yves BAYON | Sophie ROUIF

Ionisos Mutual Services, 415 Allée des Frênes, 69760, Limonest, France

摘要

由于技术进步和医疗需求的增长，全球对无菌医疗器械的需求正在增加。尽管电子束（EB）和X射线已经存在很长时间，但与其他灭菌方法（如环氧乙烷和伽马射线）相比，它们的使用程度较低。目前，这些技术的应用正在发展，为快速扩张的灭菌市场提供了新的可能性。本研究评估了这些辐照技术对用于医疗器械的聚丙烯（PP）材料的影响，重点关注其机械性能、结构变化和颜色稳定性。聚丙烯以其对辐照的敏感性而闻名，这使得在不同辐照条件下评估其性能尤为重要。三种具有不同耐辐照性的聚丙烯等级样品被暴露在受控辐照剂量（30、45和85 kGy）下。进行了电子自旋共振（ESR）、流变学、拉伸测试和色度测量等分析，并结合了主成分分析（PCA）。结果揭示了辐照引起的变化。研究表明，伽马射线辐照由于剂量率较低，导致链断裂和氧化效应最为显著；电子束辐照的影响最小；而在相同剂量下，X射线的影响通常低于伽马射线。本研究强调了选择合适的聚丙烯配方的重要性，以确保辐照后的最佳性能，特别是在从传统灭菌方法向电子束或新兴X射线技术过渡的过程中。

引言

根据多篇文章报道，由于技术进步和医疗需求的增长，全球对无菌医疗器械的需求预计将强劲增长。这些预测表明未来十年的年均增长率为6-8%（Spherical Insights, 2023）。

在广泛使用的灭菌方法中，环氧乙烷（EtO）和伽马射线历来占据主导地位。然而，每种方法都有其自身的挑战。

一方面，环氧乙烷引发了许多环境和健康问题。其管理需要特别的预防措施，特别是为了保护员工的健康。事实上，国际癌症研究机构（IARC）已将环氧乙烷列为致癌物，尽管一些研究认为，在当今人类接触的水平下，环氧乙烷与癌症无关（IARC, 2012; Lynch et al., 2022）。另一方面，放射性材料（如钴60）的供应以及废物的处理使得这种技术具有环境风险且安全性较低。

这两种灭菌技术的另一个限制是钴60或环氧乙烷的可用性，在更严格的法规、全球紧急情况或其他重大事件下可能会受到限制。尽管存在这些挑战，但由于其灭菌效果和历史上的应用，环氧乙烷和伽马射线仍将继续被使用。

用于工业灭菌的伽马射线发生器的发展可以追溯到20世纪50年代，与用于医疗器械、药品包装甚至食品包装的塑料的进步同步。伽马射线对这些材料的影响已得到广泛研究（GIPA, 2017; Allen et al., 1987a, 1987b; Jacobs, 1995; Goldman et al., 1996; Pentimalli et al., 2000; Buchalla, 2000; Palsule et al., 2008; Cassidy et al., 2016; Chou et al., 2018; Kim et al., 2018; Girard-Perier et al., 2019; Massoud et al., 2024）。

然而，市场上也出现了其他灭菌技术，如电子束（EB）和最近的X射线，进一步多样化了灭菌过程。电子束是一种成熟的技术。已有许多相关研究，例如Yagoubi在1999年的研究、Fintzou在2006年和2007年对塑料注射器的研究（比较伽马射线和电子束的效果）、Richaud在2021年的研究，以及Suljovrujic在2024年的研究，以确保产品在这两种技术之间的良好过渡（Yagoubi et al., 1999; Fintzou et al., 2006, 2007; Richaud et al., 2021; Suljovrujic et al., 2024）。此外，电子束的特点是剂量率高，因此处理时间短，尽管其穿透深度有限。

X射线被视为满足日益增长的灭菌市场需求的最新替代方案。它们结合了类似于伽马射线的穿透能力和电源的灵活性。最近进行了关于伽马射线和X射线等效性的研究（de Brouwer, 2022; Grzelak et al., 2023），但同时研究这三种辐照方式的研究很少（GIPA, 2017; Fifield et al. 2021a, 2021b; Kroc, 2023; Krieguer et al., 2024b, 2024c）。总之，这些迄今为止未得到充分利用的替代技术正逐渐受到关注，因为它们速度快、灵活且环保。

伽马射线、X射线和电子束在物理机制和应用上有所不同。伽马射线和X射线是光子，能够深入材料内部；而由电子组成的电子束具有质量和电荷，因此穿透深度较浅。此外，电子束治疗的剂量率（数十kGy.s^-1的数量级）远高于X射线（kGy.min^-1的数量级），而X射线又高于伽马射线（几kGy.h^-1的数量级）（Krieguer et al., 2024b）。这些差异决定了根据产品的性质、密度、均匀性和包装方式来选择合适的技术。

聚丙烯（PP）是传统上用于制造医疗器械和包装的材料之一，例如导管或注射器，这些产品需要灭菌。

尽管聚丙烯被频繁使用，但它是一种特别敏感的聚合物，因此目前通常添加抗氧化剂以提高其抗辐射性/耐辐照性。尽管已经明确了辐照技术、剂量和剂量率对原始聚丙烯及某些通用抗氧化剂的影响，但对新配方的辐照影响仍不完全清楚。

聚合物的辐照诱导变化主要取决于吸收剂量（单位质量材料吸收的能量，以kGy = kJ.kg^-1表示）。然而，剂量率等其他参数也不应被忽视。实际上，不同技术之间的剂量率差异很大，它在降解机制（如交联和链断裂）中起着关键作用（Decker et al., 1973; Williams et al., 1983; Faficki et al., 1994; Goulas et al., 2004）。其影响仍不完全清楚，难以概括。

此外，耐辐照性或辐射抗性的概念并不总是明确定义的，可能因材料供应商而异。理论上，这些术语指的是在辐照处理过程中保持性能的材料。在灭菌领域，耐辐照性由产品制造商根据其规格和预期用途来确定最大可接受剂量。

因此，本研究的目的是生成一组数据，比较不同等级的聚丙烯在三种辐照技术下、不同剂量下的多种性能，以评估其影响。

选择了几种聚丙烯等级，以评估辐照对其机械性能和（微观）结构的影响，这些等级的聚丙烯具有或没有供应商声称的耐辐照性。

为此，本研究采用了电子自旋共振（ESR）、拉伸强度、流变学、色度测量和主成分分析（PCA）进行分析。

部分摘录

聚丙烯

本文研究的材料是聚丙烯均聚物（PP）。表1提供了有关本研究使用的聚丙烯等级在辐照前的详细信息。

PP1和PP2来自同一供应商，PP3来自另一供应商。它们未经进一步处理直接使用。

聚丙烯样品于2022年和2023年在IMT Mines Alès的C2MA研究中心通过KRAUSS MAFFEI KM50/180CX注塑机进行注塑成型。

定性研究

图SI4显示了PP1、PP2和PP3在45 kGy电子束、伽马射线和X射线辐照后的ESR信号，这些信号是在室温解冻和取样后测得的。未辐照样品未检测到ESR信号。

信号的形状与Krieguer et al. (2024a)描述的相似，他们通过将聚丙烯的复杂ESR信号分解为“纯信号”来进行分析。这些信号包括来自移动（非晶区域）和非移动（结晶区域）的过氧化物自由基的信号。

讨论与结论

ESR分析的结果提供了关于聚丙烯样品在电子束、伽马射线和X射线辐照下自由基形成和衰减的关键见解。

定性研究证实了过氧化物自由基和硝基自由基的存在，这与文献中的结果一致（Caretti et al., 2014; Sival et al., 2007），表明不同辐照技术下的主要相互作用和自由基生成机制相似。

定量研究揭示了自由基的指数衰减。

展望

正如本文所述，使用辐照技术时应考虑技术、剂量和剂量率对聚丙烯材料造成的损害，同时考虑最终应用。观察到的差异强调了选择合适等级的重要性，以确保灭菌后的最佳性能。因此，选择耐辐射等级由最终产品制造商决定，他们将评估其适用性。

CRediT作者贡献声明

Yves BAYON：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，调查，形式分析。Abbas NASREDDINE：撰写 – 原稿，形式分析，数据管理。Florent KUNTZ：撰写 – 原稿，形式分析。Rodolphe SONNIER：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Nicolas LUDWIG：撰写 – 原稿，方法学，调查，资金获取，形式分析。

未引用参考文献

Buchalla aus Nattheim, 2000; Decker and Mayo, 1973; Dupuy et al., 2016a; Ferg and Bolo, 2013; Gamma Industry Processing Alliance & International Irradiation Association, 2017; ISO Standard 11137; ISO/ASTM52303; Silva et al., 2007; Williams and Dunn, 1983.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢Medtronic慷慨提供本研究使用的聚丙烯化合物和参考文献。

我们还要感谢C2MA（IMT Mines Alès）的工作人员，特别是Loic Dumazert、Romain Leger和Alexandre Cheron，他们提供了设备并在整个项目中提供了宝贵的建议。

感谢Emma Sliwak在EDITOP项目的第一年参与并协助进行了部分初步分析。

最后，我们