СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR STERILIZATION OF ULTRAHIGH MOLECULAR POLYETHYLENE, INTENDED FOR USE IN MEDICINE (VERSIONS)

Областью применения заявляемого изобретения являются медицина и ветеринария, в частности реконструктивная хирургия, ортопедия и травматология, а также экспериментальная биология.
Известно, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) перспективен и уже применяется в качестве основы медицинских изделий различного назначения, использование которых предполагает необходимость их предварительной стерилизации (например, графты эндопротезов) [Goldman М. at. al. Comparasion of effects of gamma-radiation and low temperature hydrogen peroxide gas plasma sterilisation on the molecular structure, fatigue resistance and wear behavior of UHMWPE. // Journal of Biomedical Materials Research. // 1998. - Vol. 40. - P. 378-384, Ries M.D. at. al. Fatigue strength of polyethylene after sterilisation by gamma irradiation or ethylene oxide // Clinical Orthopaedics and Related Research // 1996. - P. 87-95]. Известны способы стерилизации изделий медицинского назначения из полиэтилена, широко применяющиеся в практической деятельности, основанные на физическом, химическом и радиационном воздействии [S.M. Kurtz. // The UHMWPE Handbook: Ultra-High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement, Elsevier Academic Press, San-Diego, CA, USA, 2004, Premnath V. at al. Gamma sterilization of UHMWPE articular implants: an analysis of the oxidation problem // Biomaterials. 1996. - Vol. 17. - P. 1741-1753, Collier J.P. at al. Overview of polyethylene as a bearing material: comparison of sterilization methods. Clinical Orthopaedics and Related Research // 1996. - P. 76-86]. Широко известный способ стерилизации таких материалов, основанный на термической обработке в автоклаве, предполагающий обработку при температуре 105-140°C, в настоящее время используется редко, так как он может приводить к плавлению и деструкции полиэтилена [Fuchs S. et al. Oxidation of ultra high molecular weight polyethylene as a result of sterilization // Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot. 2000. - Vol. 86. - No 1. - P. 15-9]. Стерилизация γ-излучением, в целом обладающая высокой эффективностью, индуцирует окисление полимеров медицинского назначения кислородом воздуха, приводя к их деструкции, что негативно влияет на их эксплуатационные характеристики и сроки службы [Costaa L., et al. Gallinarob Oxidation in orthopaedic UHMWPE sterilized by gamma-radiation and ethylene oxide // 1998. - Vol. 19. - P. 659-668]. Для снижения интенсивности окислительных процессов в структуре полимера (например, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, СВМПЭ) используют антиоксиданты: витамин E, гиалуроновую кислоту [Qu S. at. al. // J. Applied Surface Science. 2012. - Vol. 262. - P. 168-175, Fernandez-Ronco M.P., at. al. // J. Supercrit. Fluids. 2014. - Vol. 95. - P. 204-213], а также армирование полимера углеродными нанотрубками, служащими «ловушками» свободных радикалов [Rama-Sreekanth P.S. at. al. Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials // 2013. - Vol. 21. - P. 57-66.], что может значительно ухудшить биосовместимость материала [Smart S.K. at. al. // Carbon. 2006. - Vol. 44. - No. 6. - P. 1034-1047].
Известны способы стерилизации материалов медицинского назначения в сверхкритических средах, что предполагает использование диоксида углерода, давление и температура которого находятся выше критического [Dillow А.K. at al Bacterial inactivation by using near and supercritical carbon dioxide // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1999. - Vol. 96. - 10344-10348, Zhang J., at. al.. Sterilization using high-pressurecarbon dioxide // J. Supercrit. Fluids. 2006. - Vol. 38. - P. 354-372].
Недостатком данного способа является высокая вероятность образования угольной кислоты в изделии после стерилизации, если в обрабатываемом изделии присутствовала вода.
Для стерилизации материалов для медицинского применения известен способ стерилизации, использующий стерилизующие смеси из окиси этилена и фреона этилена в соотношении окись этилена/фреон 12/88 [Alfa M.J, at. al. // Infect Control Hosp Epidemiol. 1996. - Vol. 17. - No. 2. - P. 92-100]. Целью добавления фреона в указанную смесь являлось обеспечение ее пожаро- и взрывобезопасности.
Недостатком способа является использование окиси этилена, которая является токсичной и легко воспламеняемой средой.
Известен способ стерилизации полимеров медицинского назначения в среде сверхкритического диоксида углерода, в том числе с использованием модификаторов [US Patent 7,108,832. B2 (2004)].
Недостатком способа является высокая вероятность образования угольной кислоты в изделии после стерилизации, если в обрабатываемом изделии присутствовали следы воды, а также необходимость использования жидких модификаторов, которые могут оставаться в стерилизуемом образце.
В качестве прототипа заявляемого способа известен способ стерилизации СВМПЭ с использованием сверхкритического диоксида углерода, модифицированного добавками (этанол, вода, перекись водорода) в режиме при 37°C, 170 атм в течение 2 ч [Ellis J.L. at. al. Supercritical CO2 sterilization of ultra-high molecular weight polyethylene. // J. Supercrit. Fluids. 2010. - Vol. 52. - P. 235-240]. Образцы полимера помещали в камеру высокого давления стерилизующей установки, в которую при стационарной температуре медленно подавали стерилизующую смесь при повышении давления 5 атм/мин, затем отключали насос и выдерживали при 170 атм в течение 2 ч. Затем давление быстро (менее, чем за 5 мин) снижали до 0. Это обеспечило полную инактивацию бактерий и грибов без признаков деструкции полимера.
Недостатком способа является высокая вероятность образования угольной кислоты в изделии после стерилизации, если в обрабатываемом изделии присутствовала вода, а также необходимость использования жидких модификаторов, которые могут оставаться в стерилизуемом образце.
Технический результат заключается в обеспечении стерильности образцов из СВМПЭ при отсутствии деструкции, опосредующее биологическую безопасность его применения в качестве основы медицинских изделий в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии.
Технический результат достигается следующим образом.
Способ стерилизации СВМПЭ, предназначенного для применения в медицине, путем обработки материала сжиженными газами при повышенном давлении, отличается тем, что используют в качестве стерилизующей среды фреонов R22 или R410a, стерилизацию проводят в интервале температур 50-70°C, при давлении в пределах 100-290 атм в статическом режиме при продолжительности процесса 30-60 минут.
Способ стерилизации СВМПЭ, предназначенного для применения в медицине, путем обработки материала сжиженными газами при повышенном давлении, отличается тем, что используют в качестве стерилизующей среды фреонов R22 или R410a, стерилизацию проводят в интервале температур 50-70°C, при давлении в пределах 100-290 атм в виде чередования циклов быстрого нагнетания давления величины до 290 атм, выдерживают при данном давлении в течение 5 минут с последующим быстрым сбросом давления от 290 до 100 атм, при продолжительности процесса стерилизации 30-60 минут.
При этом важно, что поскольку фреоны R22 и R410a при нормальных условиях являются газами, с течением времени они полностью удаляются из обрабатываемых полимеров. Заявляемый способ позволяет получать полимерный материал высокой чистоты за счет отсутствия в нем остаточных количеств токсичных химических реагентов. Стерилизацию фреонами на практике предпочтительно использовать при обработке материалов, чувствительных к кислой среде, так как при стерилизации диоксидом углерода (способ, приведенный в качестве прототипа) в результате его взаимодействия с водой может образоваться угольная кислота, ухудшающая свойства стерилизуемого образца.
Способ осуществляется следующим образом. Изделия из СВМПЭ, предназначенные для применения в медицине, обрабатываются фреонами R22 или R410a в течение 30-60 минут при температуре 50-70°C и давлении в пределах 100-290 атм в двух различных режимах.
1. Статический режим. В условиях статического режима образец выдерживали в камере высокого давления стерилизующей установки при постоянном значении давления и температуры.
2. Режим чередования повышения и сброса давления («press-depress») Данный режим подразумевает чередование циклов быстрого нагнетания давления до заданной величины (290 атм), выдерживания при данном давлении в течение 5 минут с последующим резким (в течение 3 минут) сбросом давления до 100 атм.
Выбор используемого интервала давления обосновывается тем, что при давлении меньше 100 атм не обеспечивается стерильность образцов СВМПЭ, а превышение давления 290 атм не является целесообразным.
Сходство с прототипом: использование в качестве стерилизующей среды сжиженного газа при повышенном давлении.
Отличие: стерилизующая среда полностью состоит из фреона без добавок модификатора, обработка образца занимает меньше времени (30-60 минут вместо 2 ч), происходит при более высокой температуре (50-70°C вместо 37°C, в процессе используется не только статическое, но и переменное давление в пределах от 100 до 290 атм.
Пример 1
2
В качестве стерилизующей среды использовали фреон R22 (дифторхлорметан). Объектом стерилизации являлись образцы пористого СВМПЭ в форме цилиндров диаметром 10 мм и высотой 2,5-3,0 мм, пористость 79%. Стерилизацию образцов осуществляли в режиме «press-depress», при температуре 70°C. Повышение давления с 100 атм до 290 атм осуществляли в течение 2 минут. За время эксперимента (60 минут) осуществили 6 циклов нагнетания и сброса давления. После окончания процесса стерилизации образцы в асептических условиях были помещены в стерильные контейнеры и в соответствии с МУК 4.2.2942-11 подвергнуты испытаниям на предмет индикации признаков контаминации микрофлорой, путем прямого посева на жидкие питательные среды: тиогликолевую бульонную среду и бульон Сабуро. Посевы в тиогликолевой среде культивировали в течение 14 суток в CO-инкубаторе при 32°C; посевы в бульоне Сабуро - при температуре 20-22°C. По истечении указанного срока производили учет результатов, оценивая в проходящем свете и на черном фоне степень прозрачности среды, наличие осадка и роста взвешенных в среде колоний микроорганизмов. Анализ полученных результатов посевов экспериментальных образцов СВМПЭ на питательные среды показал отсутствие признаков роста микрофлоры. Контроль сред не имел признаков ее контаминации микрофлорой. Полученные результаты анализа посевов образцов СВМПЭ, подвергнутых стерилизации заявляемым способом, демонстрирующие отсутствие признаков колониеобразования как бактерий, так и грибов в специализированной питательной среде, свидетельствуют об отсутствии в испытуемых образцах микрофлоры после стерилизующей обработки.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Исследования образцов СВМПЭ на отсутствие деструкции проводили с использованием ИК-Фурье спектрометра Nicolet 380 (спектральный диапазон 4000-450 см, разрешение 0,9 см, точность по волновому числу 0,01 см). В ИК-спектрах образцов СВМПЭ наблюдали дублет (2915 см и 2848 см), отвечающий за симметричные и асимметричные валентные колебания C-H, а также дублет, отвечающий за деформационные колебания C-H (1472 см и 1462 см), и полосы кристалличности (730 см и 719 см). Признаков окисления обнаружено не было, что свидетельствует об отсутствии деструкции материала в результате обработки.
Пример 2
В качестве стерилизующей среды использовали фреон R410a (смесь фреонов R32/R125, дифторметан/пентафторэтан, массовые доли компонентов 50/50%) в статическом режиме при 250 атм температуре 50°C в течение 30 минут. Объектами стерилизации являлись образцы пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена в форме цилиндров диаметром 10 мм и высотой 2,5-3,0 мм, пористость 79%. После окончания процесса стерилизации образцы в асептических условиях были помещены в стерильные контейнеры, а затем подвергнуты испытаниям на предмет индикации признаков контаминации микрофлорой и деструкции, как описано в примере 1. Полученные результаты доказали отсутствие контаминации образцов СВМПЭ, подвергнутых стерилизации заявляемым способом, бактериальной и грибковой микрофлорой, а также признаков окисления в них. Это свидетельствует о том, что заявляемый способ обеспечивает удовлетворительное качество стерилизации образцов СВМПЭ и не ведет к их деструкции.