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透气材料微生物屏障特性测试方法介绍及优劣分析


用于无菌屏障系统的透气材料,其微生物屏障特性的好坏对灭菌产品无菌状态的保持至关重 要。GB/T 19633.1-2015(ISO 11607-1:2006)《最终灭菌医疗器械包装 第 1 部分:材料、无菌屏障系统和包装系统的要求》中 5.2.3 提到透气材 料应能提供适宜的微生物屏障,以提供无菌屏障系统的完整性和产品的安全性”。另外,在 6.3.2 中提到“可用物理试验、透气性包装材料的微生 物屏障试验来确定无菌屏障系统保持无菌状态的能力”。

目前,行业内评价透气材料微生物屏障特性 的方法可分为微生物学测试法和物理测试法。微生物学测试方法主要有两种,一是 ASTM F 1608

《Standard Test Method for Microbial Ranking of

Porous Packaging Materials(Exposure Chamber Method)》,目前已经转化为 YY/T 0681.10《无 菌医疗器械包装试验方法 第 10 部分:透气包装材料微生物屏障分等试验》;二是 DIN 58953-6

《Sterilization–Sterile supply–Part 6:Microbial barrier testing of packaging materials for medical devices which are to be sterilized》,该方法即将转 化为 YY/T 0681.14《无菌医疗器械包装试验方法 第 10 部分:透气包装材料湿性和干性微生物 屏障试验》。作为微生物学测试方法的替代方法, ASTM F 2638《Standard Test Method for Using 

Aerosol Filtration for Measuring the Performance of Porous Packaging Materials as a Surrogate Microbial Barrier》也已在行业内应用。

本文拟对以上测试方法进行介绍,并对测试方法的优劣进行初步的对比分析。为医疗机构、 医疗器械生产商、包装生产商等在对特定应用的 透气材料的微生物屏障特性进行评价时提供参考。


1.ASTM F 1608 方法

1.1 测试方法介绍

做为整体包装气溶胶挑战测试的替代方法,

本标准最初于上世纪 90 年代由 ASTM 的 F02 委 员会制定。该试验方法设计成在细菌芽孢能够穿透试验材料的条件下对材料进行试验,以便用于对材料进行分等。

本标准给出的方法是以气溶胶形式的萎缩芽 孢杆菌(ATCC 9372)芽孢作为挑战物,在规定的 时间内以规定的流量对规定面积的透气材料进行穿透挑战。通过比较初始挑战芽孢数量(N0)和 透过芽孢数量(N1),对透气材料的微生物屏障性能(LRV)进行定量分析。该方法采用的试验装置 的内部结构见图 1。试验方法采用的试验参数见表 1。 1.2 优劣分析

该方法能够给出以数值表示(LRV,芽孢截 留率)的定量结果,便于对材料的微生物屏障特 性进行比较和分级。LRV 越大,表示材料的微生 物屏障特性越好,反之则越差。目前,该方法能 够被行业内广泛接受,国外开展该方法的实验室 相对也较多。

该方法给出了精密度和偏倚的说明。该信息 基于 1993 年 ASTM 进行的实验室协同研究。11 个实验室各由 1 个操作人员对从 6 种材料上分 别随机裁取的 2 个样品和 1 个阳性对照进行试验。 通过汇总所有材料的实验室内和实验室间的变异 估计值,得到具有足够自由度的一个操作者和多 实验室的精密度估计值。另外,由于 LRV 的真实 值是不可知的,不能验证该方法的偏倚,所以该 方法的偏倚不可知。

该方法最主要的缺点在于挑战过程中所使用 的流量(2.8L/min),此时材料经受的表面风速为 140cm/min。该表面风速下,惯性碰撞是占主导 地位的过滤机制,芽孢的惯性往往会使其与样品 发生碰撞从而被截留,而不能随着流经样品的空 气迅速改变方向从而透过样品,这与透气材料在 装卸(1 cm/min)或运输(0.1 cm/min)等时经受 的挑战情况是不一样的。这可能导致在比较材料


微生物屏障特性好坏时,真实微生物屏障特性较 好的材料测得的 LRV 却相比较低。

该方法需要在生物安全实验室中由专业的微 生物检测人员进行试验,对人员和环境设施要求较高;该方法的挑战时间虽短(15 分钟),但是 需要大量的时间进行前期准备和后期微生物培养、 结果统计等,试验周期持续 3、4 天的时间,人力、 物力成本较高。


2.DIN 58953-6 方法

2.1 测试方法介绍

本标准最初由 DIN 于 1987 年发布,目前能 获取的是 2010 年的德文版本。标准给出了两种测 试方法——湿性微生物屏障试验和干性微生物屏 障试验。同时,给出了两种方法的接受准则。

湿性微生物屏障试验是将液体形式的金黄色 葡萄球菌滴加到试验样品上(共取 5 滴,每滴 0.1 mL),液滴干燥后进行试验以测定是否有微生物 穿透到试验样品的另一面。其中,金黄色葡萄球 菌挑战菌液的含菌量为 105 CFU/mL~106CFU/mL, 挑战及干燥时间为 6 h 至 16 h(见图 2)。共测试

5 个试样,若所有的 5 个平板都是零生长,则认 为包装材料可以提供充分的微生物屏障。若平板 上有生长,但所有的 5 个平板菌落数总和不大于

5 个,则宜另取 20 个试验样品进行复测。20 个平 板的菌落数总和应不超过 5 个。

干性微生物屏障试验是通过对用待测包装材 料密封的微生物屏障装置中的空气进行冷却,空气 流(受到抽吸)将进入试验瓶中。形成的空气流企 图将携带微生物(萎缩芽孢杆菌芽孢)的颗粒穿过 包装材料,并用微生物学技术记录通过包装材料的 任何微生物并进行评价。其中,芽孢挑战量应达 到 2.5×105CFU 的水平。挑战时,应使试验温度从 50˚C 冷却至 10˚C,进行 5 次循环。共测试 10 个试样, 如果全部 10 个试验样品生长的菌落数不超过 15 个, 且任何 1 个试验样品生长的菌落数不超过 5 个,则 认为包装材料足以作为无菌屏障。

2.2 优劣分析

该方法能够模拟透气材料可能经受的真实条 件,其经受挑战的表面风速(0.6 cm/min)接近 于装卸或运输等时经受的表面风速。该方法不需要复杂的测试设备,试验条件要求相对较低,成 本合理,便于推广。

我国卫生部门发布的《消毒产品卫生安全评 价规定》中规定,进入医疗机构的带有灭菌标识 的灭菌物品包装物需进行微生物屏障试验,《消 毒技术规范》给出了相应的试验方法和判定准则。 该方法与《消毒技术规范》给出的试验方法和判 定准则是一致的,可视为供给医疗机构灭菌的透 气材料的基本要求之一。

该方法的优点是,对实验仪器要求低,在一 般微生物实验室内都能开展。但由于该方法设计 为“合格 / 不合格”判定方法,不能出具定量数据, 无法用于不同材料间以及同种材料经受诸如灭菌、 储存、装卸、运输等过程前后微生物屏障特性的 比较。

该方法的重复性和再现性在国际上存有一定 争议。为此,2013 年由 Sterile Barrier Association (SBA)组织进行了实验室协同研究,对试验方 法的精密度进行了评价。共有 5 家德国实验室参


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加了本次测试,其中 1 家实验室由两组试验人员 独立进行试验,这样总共得到 6 组测试数据。本 次测试采用的试验样品包括各种不同材质的材料, 既包括预期能够阻止微生物穿透的材料,也包括 预期能够穿透微生物的材料。用于湿性条件微生 物屏障试验的样品有 3 种,用于干性微生物屏障试验的样品有 4 种。从验证结果来看,7 个试验 样品中,有 4 个试验样品的测试结果在 6 个参与 实验室的测试数据是一致的(一致性为 100%); 其他 3 个试验样品的测试结果在 5 个参与实验 室的测试数据是一致的(一致性为 83%)。据悉, 该标准正在修订中,修订后的标准不久将面市。



3.ASTM F 2638

3.1 测试方法介绍

ASTM 的 F02 委员会于 2007 年 6 月确定将 ASTM F 2638 作为测试材料的微生物屏障特性一 种物理方法,该方法无需对样品和检测器具进行 前期的灭菌准备和后期微生物培养,测试完成后 计算机直接给出测试结果,可用于快速测试材料 的微生物屏障特性。

该测试方法使用气溶胶形式的直径为 1.0μm 聚苯乙烯粒子进行挑战。带有悬浮微粒的气溶胶 气流被施加到试样表面,激光微粒计数器记录挑 战前后气溶胶流中的粒子数目,计算穿透率。通 过测试并绘制穿透率与气流流量的关系图,可获 得典型的过滤效率曲线。最大的穿透率和其对应 的流量可通过曲线的峰值来确定。该方法采用的 试验装置见图 2。

3.2 优劣分析

该方法的前期研究证实,特定材料 ASTM F 1608 的测试结果与该方法透过率测试结果具有相 关性。作为微生物屏障特性的一种快速检测方法, 该方法不需要复杂的微生物操作。

ASTM F 2638 测试样品的面积是 ASTM F 1608 测试样品面积的 4 倍之多。较大的测试面积 有助于降低样品之间的变异性,从而降低了数据 的离散性。

ASTM F 2638 测试方法只需要 3 分钟即可获 得在给定流量或压差之下计算穿透率所需的足够 数据。可在 15 分钟内生成 5 个不同流量的数据, 这与使用 ASTM F 1608 测试方法时只生成一个气 流流量的数据所需的暴露时间相同。

对比在装卸、运输等时经受的表面风速, ASTM F 2638 测试中使用的表面风速(0 cm/min ~30cm/min)范围更能模拟现实情况下可能经受 的表面风速。

该方法的精密度是根据 2004 年进行的单计 数器法的研究和 2006 年进行的双计数器法的补 充研究。在 2004 年的研究中,由 3 名操作者共 进行了 27 组试验,这些试验包括每个操作者对 3 个不同的透气性包装材料样品各进行 3 次平行试 验。2006 年的测试,将原有的基础试验仪器改进, 另外增加了 1 台粒子计数器,这样就可对挑战气 溶胶和穿透气溶胶的粒子同时计数。试验由 1 名 操作人员分别在 1 个月内的 7 天中对 7 个相同的 样品进行测试。两个独立的试验得出的结果表明, 试验装置无论是使用单计数器还是双计数器,该 方法都具有可重复性。

由于该方法需要购置较昂贵的试验设备,开 展本项测试的实验室较少,该方法在我国推广尚 需时日。

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