Die Sterilisation mit Ethylenoxid (EO) ist seit Jahrzehnten weitgehend unverändert geblieben, aber die jüngsten Neuerungen haben die Branche aufgerüttelt. Bedenken hinsichtlich der krebserzeugenden Eigenschaften von EO und der angeblichen Emissionswerte von Sterilisationsanlagen führten später zur Schließung einiger Auftragssterilisationseinrichtungen. EO ist ein hochwirksames Sterilisationsmittel mit vielen Vorteilen, aber es ist auch toxisch und wird von der US Environmental Protection Agency (EPA) als bekanntes Karzinogen eingestuft.
Wie sind wir hierher gekommen?
Die derzeitige Lage hatte ihren Ursprung im Februar 2019, als die EPA im US-Bundesstaat Illinois einen Versiegelungsauftrag an das Sterigenics-Werk in Willowbrook, Illinois, erteilte. Darauf folgten vorübergehende Schließungen von vier EO-Standorten in Georgia, da umliegende Gemeinden Bedenken hinsichtlich möglicher höherer Emissionen in der Region hatten. Viele in der Branche glaubten nicht an die Behauptung, dass es einzig und allein an den mangelhaften Sterilisationsanlagen lag, da die gemessenen EO-Werte zum Teil auch an Standorten sehr hoch waren, die mehrere Meilen von einer Sterilisationsanlage entfernt gelegen waren. Es ist wichtig zu beachten, dass EO in der Luft aus einer Vielzahl von Quellen stammen kann, darunter Autoabgase, Zigarettenrauch, Herstellung alltäglicher Haushaltsprodukte, Kompostierung und andere. Tatsächlich produziert der menschliche Körper durch normale Stoffwechselprozesse geringe Mengen an Ethylenoxid1.
Mit EO wird etwa die Hälfte aller medizinischen Geräte sterilisiert, etwa 20 Milliarden Geräte pro Jahr allein in den USA. Die Schließung dieser Sterilisationsanlagen führte zu Befürchtungen hinsichtlich Engpässen bei kritischen Medizinprodukten und Verbrauchsmaterialien. Solche Engpässe sind für die Branche immer äußerst schwierig zu bewältigen, aber die derzeitige globale Pandemie verschärft die Besorgnis noch um Einiges mehr. Zum Glück wurden alle Einrichtungen in Georgia wiedereröffnet, aber Sterigenics beschloss, die Einrichtung in Willowbrook mit dem Verweis auf „unsichere Gesetzgebungs- und Regulierungsbedingungen“ dauerhaft zu schließen. Diese Verwerfungen haben zu Kapazitätsengpässen in anderen Sterilisationsanlagen geführt, da die Kunden gezwungen waren, ihren Sterilisationsbedarf nun anderweitig zu befriedigen.
Die US-amerikanische Food and Drug Association (FDA), die über diese potenziellen Engpässe besorgt war, stellte die Medizinprodukte- und Sterilisationsindustrie vor eine zweiteilige Herausforderung: 1. die Identifizierung neuer Sterilisationsmethoden und -technologien, 2. die Reduzierung der Ethylenoxidemissionen.
Herausforderungen mit EO-Alternativen
Während der Wechsel zu einer alternativen Methode die einfachste Lösung zu sein scheint, ist es wichtig zu untersuchen, warum EO so weit verbreitet ist. Die Wirksamkeit jedes Sterilisationsprozesses und die Kompatibilität der Materialien von Medizinprodukten mit diesen alternativen Sterilisationsmodalitäten bestimmen häufig, warum ein Verfahren dem anderen vorgezogen wird. EO wird als Niedertemperaturverfahren (< 55 °C) angesehen und zum Sterilisieren vieler thermolabiler Einweg-Kunststoffprodukte und -komponenten verwendet. Diese Produkte können den hohen Temperaturen der feuchten Hitzesterilisation (typischerweise 121 °C oder 132 °C) nicht standhalten.
Viele Kunststoffe sind nicht mit alternativen Sterilisationsmodalitäten wie den Bestrahlungsverfahren mit Gamma-, Elektronen- und Röntgen-Strahlen usw. kompatibel, da in den Polymeren Vernetzungseffekte und Molekülkettenspaltung auftreten können. Diese Reaktionen führen zu unerwünschten Veränderungen, die zu Rissen, Mikrorissen oder Verfärbungen führen können. Darüber hinaus dringen viele der alternativen Sterilisationsmodalitäten wie Stickstoffdioxid, verdampftes Wasserstoffperoxid, verdampfte Peressigsäure und hochkritisches CO2 nicht so leicht in die am schwersten zu sterilisierenden Stellen ein, wie dies mit EO der Fall ist. In einigen Fällen erreicht das Sterilisiermittel möglicherweise nie den am schwersten zu sterilisierenden Bereich! Dies gilt insbesondere für Verschlüsse, zusammengefügte Oberflächen und einige lange, schmale Lumen. Ein weiteres Problem bei den alternativen Methoden ist, dass praktisch mit keiner von ihnen das enorme Aufkommen der mit EO sterilisierten Produkte verarbeitet werden kann. Wie bereits erwähnt, wird EO allein in den USA zum Sterilisieren von 20 Milliarden Produkten jährlich verwendet. Während viele EO-Sterilisatoren volle LKW-Ladungen von 24 oder mehr Paletten gleichzeitig sterilisieren können, wird die mengenbezogene mögliche Verarbeitungsleistung der Alternativen zu einem begrenzenden Faktor.
Änderungen an EO-Prozessen
Es bleibt eine Tatsache, dass es heute keine umsetzbare Alternative gibt, die die Fähigkeit von EO zur Sterilisation breiter Produktpaletten ersetzen kann. EO ist einzigartig in seiner Fähigkeit, schwer zu sterilisierenden Stellen eines Produkts zu durchdringen und dies in großem Maßstab zu tun. Es wird Nischenprodukte geben, die für Alternativen geeignet sind. Die sinnvollste Option besteht jedoch darin, vorhandene EO-Prozesse zu modifizieren und die Menge des verwendeten EO zu reduzieren, was wiederum zu weniger Emissionen führt. Viele Unternehmen verfolgen bereits genau in diesem Moment diesen Ansatz.
Ein Beispiel für eine EO-Verfahrensänderung, die einige Unternehmen einleiten, betrifft die traditionellen Validierungsprozesse, bei denen ein extremer Overkill-Ansatz angewendet wird. In früheren Versionen von ISO 11135 wurde die am schwierigsten zu sterilisierende Stelle der Produkte von einem Sterilisationsspezialisten identifiziert und jede dieser Stellen mit mindestens 1,0 x 106 KBE von B.-atrophaeus-Sporen beimpft. Dieser Organismus ist der allgemein anerkannte MRO (Most Resistant Organism) für die EO-Sterilisation. Während diese Verfahren sehr konservativ sind und es einen großen Sicherheitsspielraum gibt, führte diese Validierungspraxis zu sehr langen Zyklen mit hohen Konzentrationen (> 600 mg/l) mit EO, die eine biologische Last mit Pathogenen abzutöten vermögen, die mehrere Größenordnungen über der natürlich vorkommenden biologischen Last lag. Die biologische Herausforderung wurde in der Vergangenheit entweder an den schwierigsten Stellen auf dem tatsächlichen Produkt oder in einem simulierten Prüfkörper, oder auch Herausforderungsprodukt platziert, das als „Herausforderungsprodukt des Verfahrens (Process Challenge Device, PCD)“ bezeichnet wird. Im Validierungsverfahren wird häufig ein PCD verwendet. Ein PCD ist etwas, in das Sie den biologischen Indikator einfügen, der die Beständigkeit des tatsächlichen Produkts simuliert und verwendet wird, damit nicht das tatsächliche Produkt verwendet werden muss. Ein geeignetes PCD sollte durch vergleichende Beständigkeitstests ermittelt werden, um sicherzustellen, dass es eine äquivalente oder geringfügig höhere Beständigkeit als das tatsächliche Produkt aufweist. Ein PCD wird häufig verwendet, wenn das Produkt teuer ist oder wenn es schwierig ist, die am schwersten zu sterilisierende Stelle zu beimpfen.
Während dieser Ansatz in der Branche immer noch weit verbreitet ist, heißt es in der Überarbeitung von ISO 11135:2014, dass das „PCD eine Herausforderung für das Sterilisationsverfahren darstellen soll, die der Herausforderung entspricht oder größer ist als die Herausforderung, die die natürliche biologische Last an der am schwierigsten zu sterilisierenden Stelle innerhalb des Produkts darstellt“. Der biologische Indikator (BI) muss nicht an der schwierigsten Stelle im Produkt platziert werden. Es muss nachgewiesen werden, dass an diesen Stellen keine natürlich vorkommende biologische Last resistenter ist als der BI. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur potenziell kürzere Zyklen, sondern reduziert auch die Gaskonzentrationen um die Hälfte. Unternehmen haben erfolgreich die notwendige Letalität mit Gaskonzentrationen von 300 mg/l und in einigen Fällen sogar noch niedriger nachgewiesen.
Die Zukunft von EO
Der Vorteil der Reduzierung des EO-Einsatzes durch Senkung der Konzentrationen und Reduzierung der Emissionen besteht darin, dass die Modalität nachhaltig sein kann und die Industrie diese dringend benötigte Technologie weiterhin einsetzen werden kann. Darüber hinaus können die Restmengen am Produkt gesenkt werden, was dazu beitragen kann, sich gegen zukünftige mögliche Änderungen der Norm ISO 10993-7 abzusichern, selbst wenn diese bereits die in ISO 10993-7 festgelegten aktuellen Grenzwerte erfüllt. Wie bei allen Änderungen sollte eine gründliche Überprüfung und Risikobewertung durchgeführt werden, und möglicherweise müssen Zulassungsanträge und benachrichtigte Behörden aktualisiert werden.
Da diese neueren optimierten Zyklen kürzer sein und eine viel niedrigere Gaskonzentration aufweisen können, sollte alles bewertet werden, was die Fähigkeit des Sterilisiermittels beeinträchtigen kann, durch die Verpackung und in das Produkt einzudringen. Die Verwendung von atmungsaktiverem Material wie DuPont™ Tyvek® kann das Eindringen von Sterilisationsmitteln sowie eine potenziell effizientere Ausgasung unterstützen. Das Produktdesign muss möglicherweise Gaswege vorsehen. Durch die Betrachtung eines ganzheitlichen Ansatzes von Verpackung, Produkt und Verfahren kann diese „alte“ Sterilisationsmethode wieder neu auferstehen.
