ИССЛЕДОВАНИЕ ИНАКТИВАЦИИ BACILLUSATROPHAEUS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСТОГО И МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
Научная статья
Газизов Р.А.1*, Шамсетдинов Ф.Н.2
1ORCID: 0000-0003-1329-2842,
1, 2Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «Техно Крит», Казань, Россия
* Корреспондирующий автор (xatyaz[at]mail.ru)
Аннотация
В работе рассматривается возможность использования сверхкритических флюидов в качестве стерилизующего агента изделий медицинского назначения. Проведены исследования по инактивации Bacillus atrophaeus с применением чистого и модифицированного сверхкритического диоксида углерода. Установлено, что при определенных термодинамических параметрах модифицированный СО2 является эффективным стерилизующим агентом в отношении спор Bacillus atrophaeus. Определена длительность достижения полной инактивации.
Ключевые слова: Стерилизация, медицинские инструменты, сверхкритические флюидные среды, микроорганизмы.
STUDY OF BACILLUS ATROPHAEUS INACTIVATION WITH CLEAN AND MODIFIED CARBON DIOXIDE
Research Article
Gazizov R.A.1*, Shamsetdinov F.N.2
1ORCID: 0000-0003-1329-2842,
1, 2Limited Liability Company “Techno Crit” Research and Production Company, Kazan, Russia
*Corresponding author (xatyaz@mail.ru)
Abstract
The authors consider the possibility of the use of supercritical fluids as sterilizing agents for medical devices. They conducted studies on the inactivation of Bacillus atrophaeus with pure and modified supercritical carbon dioxide. It has been found that under certain thermodynamic parameters, modified CO2 is an effective sterilizing agent against Bacillus atrophaeus spores. The duration of achieving complete inactivation is also determined.
Keywords: Sterilization, medical instruments, supercritical fluids, microorganisms.
Введение
Стерилизация медицинских изделий является одной из актуальных проблем в современной медицине. Разнообразие медицинского инструментария, наличие деталей в их конструкции из полимерных и других материалов, труднодоступность отдельных узлов для обработки, создают определённые сложности при стерилизации, а также в выборе оптимального метода в каждом конкретном случае. Таким образом, разработка новых инновационных технологий в области стерилизации медицинских изделий является крайне востребованным.
К наиболее распространенным методам стерилизации относятся химический, термический и радиационный. Каждый из этих методов имеет определенные недостатки, особенно при стерилизации термолабильных и геометрически сложных изделий, могут содержать неудаленный остаток токсичного газа, возможна высокая огне- и взрывоопасность, большие энергозатраты и продолжительность процесса, разрушение стерилизуемого материала и т.д. [1].
С конца прошлого века ведется интенсивный поиск новых методов стерилизации медицинских изделий с минимумом недостатков присущих традиционным способам. К таким методам можно отнести стерилизацию с использованием сверхкритических флюидных сред [2, 3]. В настоящее время во многих странах мира (Италия, Испания, Бельгия, Япония, США, Тайвань, Корея и др.) ведутся исследования взаимодействия сверхкритического СО2 с микроорганизмами. В работах [4-6] показана эффективность и возможность использования этого метода в пищевой и фармацевтической промышленностях, как альтернатива традиционным методам стерилизации.
Цель исследования
Изучить возможность использования сверхкритических флюидов в качестве стерилизующего агента изделий медицинского назначения, в частности, для инактивации Bacillus atrophaeus с применением чистого и модифицированного сверхкритического СО2.
Материалы и методы исследования
Подбором сверхкритического растворителя с достаточно низкой критической температурой можно исключить термическое разложение компонентов материала, а также значительно снизить энергетические издержки в крупнотоннажных установках. Так широкому использованию сверхкритического СО2 в качестве инактиватора способствуют следующие его свойства:
-относительно низкая критическая температура (исключается термическое разложение компонентов обрабатываемой смеси);
– высокая регенерируемость (обеспечивается многократное использование растворителя);
– низкая вязкость и высокий коэффициент диффузии;
– абсолютная нетоксичность (безопасность производства и охрана окружающей среды);
– невоспламеняемость (безопасность производства).
В течение последних двух десятилетий была проведена большая фундаментальная работа по описанию взаимодействия между средами в сверхкритическом состоянии и микроорганизмами как в вегетативных, так и скрытых формах, чтобы понять эффект стерилизации и попытаться регулировать эффективность процесса стерилизации.
Существуют несколько объяснений механизмов инактивации вегетативных клеток при обработке СО2 [7-10]. Механизмы включают разрушение клеток во время разгерметизации или повышение давления, извлечение жизненно важных внутриклеточных компонентов, снижение рН и инактивацию важных ферментов. Из-за различий в структурах и биохимических составах между вегетативными клетками и спорами механизмы стерилизации отличаются.
Отмеченные работы являются лишь частью многочисленных исследований в этой области. Зная, что инактивация бактерий «естественно загрязненного» материала иногда сильно отличается от того, что можно ожидать от опубликованных результатов лабораторных экспериментов, трудно сделать однозначные выводы об эффективности предлагаемых методов из этих доступных результатов, которые часто противоречат друг другу. Так, до сих пор нет однозначного мнения о характере влияния давления и температуры на эффективность стерилизации. Поэтому исследования в данной области остаются востребованными и актуальными.
Изученные работы подтверждают, что сверхкритическая флюидная стерилизация успешна в отношении широкого ряда микроорганизмов и что этот процесс не приводит к физической или химической деградации материала изделия. Для оптимизации данной процедуры в целях возможного крупномасштабного использования, необходимо выявить закономерности взаимодействия и фундаментальные механизмы сверхкритической флюидной CO2-инактивации.
Результаты исследования и обсуждение
В настоящей работе проведен процесс стерилизации спор Bacillus atrophaeus с применением чистого и модифицированного сверхкритического СО2 водой (Н2О), этанолом (С2Н5ОН) и перекисью водорода (H2O2). В качестве модификатора перекись водорода была выбрана по нескольким причинам – проверенный антимикробный агент, который имеет ограниченную растворимость в сверхкритическом СО2, и, легко разлагается на H2O и O2 после стерилизации, не оставаясь в системе.
В качестве аппаратурного оформления для проведения данного исследования была использована оригинальная установка, схематично представленная на рис. 1. Основным элементом установки является ячейка высокого давления рабочим объемом 0,0005 м3, выполненная из стали марки 12Х18Н10Т.
Рис. 1 – Схема экспериментальной установки: 1 – баллон с СО2; 2 – термокомпрессор; 3 – ячейка высокого давления (автоклав); 4 – термостат
При обработке образцов Bacillus atrophaeus чистым сверхкритическим СО2 в диапазоне давлений 15÷30 МПа и температур 313÷373 K наблюдалось снижение их активности, но 100% уничтожение не зафиксировано (табл. 1). Добавление в диоксид углерода 3% массовых долей воды в качестве модификатора также каких-либо значимых результатов не дало. Подобная ситуация наблюдалась и при использовании этанола в качестве модификатора основного стерилизующего агента – СО2. С увеличением доли С2Н5ОН в диоксиде углерода до 3% наблюдалась частичная инактивация.
Таблица 1 – Условия воздействия чистого и модифицированного сверхкритического СО2 на споры Bacillus atrophaeus
| № | Давление, МПа | Температура, K | Время обработки, мин | Модификатор (массовая доля в СО2) | Степень стерилизации |
| 1 | 15 | 323 | 240 | ˗˗ | ˗˗ |
| 2 | 30 | 323 | 240 | ˗˗ | ˗˗ |
| 3 | 30 | 373 | 240 | ˗˗ | частичная |
| 4 | 30 | 333 | 240 | H2O (3%) | ˗˗ |
| 5 | 30 | 313 | 240 | С2Н5ОН (1%) | ˗˗ |
| 6 | 30 | 313 | 120 | С2Н5ОН (3%) | ˗˗ |
| 7 | 30 | 313 | 240 | С2Н5ОН (3%) | частичная |
| 8 | 30 | 333 | 240 | С2Н5ОН (3%) | частичная |
| 9 | 10 | 313 | 240 | H2O2 (1%) | частичная |
| 10 | 30 | 313 | 120 | H2O2 (1%) | частичная |
| 11 | 30 | 313 | 240 | H2O2 (1%) | полная |
Также, были проведены опыты по инактивации Bacillus atrophaeus путем воздействия сверхкритического СО2, модифицированного перекисью водорода, в течение 2 и 4 часов при давлениях 10 МПа и 30 МПа на изотерме 313 K. Массовая доля перекиси водорода в сверхкритическом СО2 составляла 1%. При воздействии в течение 2 часов (Р = 10 МПа) и 4 часов (Р = 30 МПа) наблюдалась неполная инактивация Bacillus atrophaeus. При давлении 30 МПа и четырехчасовой продолжительности обработки был достигнут 100 % эффект стерилизации.
Заключение
По результатам проведенной работы, можно резюмировать, что по сравнению с высокотемпературной стерилизацией, применение модифицированного перекисью водорода сверхкритического СО2 снижает температуру инактивации и время обработки спор Bacillus atrophaeus. Так же, можно констатировать эффективность выбранного модификатора в качестве антимикробной добавки, оказавшего положительный синергетический эффект на инактивацию исследуемого материала. Полученные результаты являются отправными точками для дальнейших изысканий по данной тематике с целью выявления более точного вектора в поиске оптимальных модифицирующих веществ сверхкритического СО2 в рамках его применения в качестве стерилизующего агента медицинских изделий.
| Финансирование
Работа, по результатам которой выполнена статья, осуществлена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-48-160048. |
Funding
The scientific research, the basis of this article, was carried out with the financial support of the RFBR (Russian Foundation for Basic Research) and the Government of the Republic of Tatarstan within the research project No. 18-48-160048. |
| Конфликт интересов
Не указан. |
Conflict of Interest
None declared. |
Список литературы / References
- СалмановА.Г. Стерилизация изделий медицинского назначения / А.Г.Салманов, О.М.Вернер.– Х.:ФОП Панов А.М., 2015. – 412 с.
- Jiménez A. Compatibility of Medical-Grade Polymers with Dense CO2 / A.Jiménez, G.L.Thompson, M.A.Matthewset al // Supercritical Fluids. – 2007. – № 42, – Р. 366-372.
- Залепугин Д.Ю. Стерилизация пористого сверхмолекулярного полиэтилена в субкритических фреонах/ Д.Ю.Залепугин, А.В.Максимкин, М.В. Кисилевский и др.// Сверхкритические флюиды: Теория и практика. – 2016. – Т.11. – №1. – С. 84-90.
- Lanzalaco S. Sterilization of macroscopic poly(l-lactic acid) porous scaffolds with dense carbon dioxide: Investigation of the spatial penetration of the treatment and of its effect on the properties of the matrix / S. Lanzalaco, S. Campora, V. Brucatoetal // J. of Supercritical Fluids. – 2016.–№ 111.–Р. 83-90.
- Perrut M. Sterilization and virus inactivation by supercritical fluids (a review)/ M. Perrut// J. of Supercritical Fluids. – 2012.– V. 66. – P. 359-371.
- Ellis J.L. Supercritical CO2 sterilization of ultra-high molecular weight polyethylene. / J.L. Ellis, J.C. Titone, D.L. Tomaskoat al // J. Supercritical Fluids. – 2010. – V. 52. –P. 235-240.
- Zhang J., Davis T.A., Matthews M.A., Drews M.J., La Berge M., AnY.H. Sterilization using high-pressure carbon dioxide – a review /J.Zhang, T.A.Davis, M.A.Matthews et al // J. of Supercritical Fluids.– 2006. –V. 38. – Is. 3. – P. 354-372.
- Spilimbergo S. Non-thermal bacteria inactivation with dense CO2 /S.Spilimbergo, A.Bertucco// J. of Biotechnology and Bioengineering. – 2003.– № 84.– Р. 627-638.
- HossainMd.S. Modeling the inactivation of Staphylococcus aureus and Serratiamarcescens in clinical solid waste using supercritical fluid carbon dioxide / Md.S. Hossain, V.Balakrishnan, N.AbRahman et al // J. of Supercritical Fluids.– 2013. – V. 83. – P. 47-56.
- SilvaM.A. Inactivation of Bacillus subtilis and Geobacillus stearothermophilus inoculated over metal surfaces using supercritical CO2 process and nisin / M.A. Silva, A.P. Araujo, J. de S. Ferreira //J. of Supercritical Fluids. –2016. – V. 109. – P. 87-94.
Список литературы на английском языке / References in English
- Salmanov A.G. Sterilizacija izdelij medicinskogo naznachenija [Sterilization of products of medical appointment]/ A.G. Salmanov, O.M. Verner.–H.: FOP Panov A.M., 2015. – 412 P. [in Russian]
- Jiménez A. Compatibility of Medical-Grade Polymers with Dense CO2 / A. Jiménez, G.L. Thompson, M.A. Matthews et al // Supercritical Fluids. – 2007. – № 42, – Р. 366-372.
- Zalepugin D.Ju. Sterilizacija poristogo sverhmolekuljarnogo polijetilena v subkriticheskih freonah [Sterilization of porous supermolecular polyethylene in subcritical freons] / D.Ju.Zalepugin, A.V. Maksimkin, M.V. Kisilevskiji dr. // Sverhkriticheskie fljuidy: Teorija i praktika [Supercritical fluids: Theory and practice]. – 2016. – V.11. – №1. – P. 84-90. [in Russian]
- Lanzalaco S. Sterilization of macroscopic poly(l-lactic acid) porous scaffolds with dense carbon dioxide: Investigation of the spatial penetration of the treatment and of its effect on the properties of the matrix / S. Lanzalaco, S. Campora, V. Brucato et al // J. of Supercritical Fluids. – 2016. –№ 111.–Р. 83-90.
- Perrut M. Sterilization and virus inactivation by supercritical fluids (a review) / M. Perrut // J. of Supercritical Fluids. – 2012. – V. 66. – P. 359-371.
- Ellis J.L. Supercritical CO2 sterilization of ultra-high molecular weight polyethylene. / J.L. Ellis, J.C. Titone, D.L. Tomasko at al // J. Supercritical Fluids. – 2010. – V. 52. –P. 235-240.
- Zhang J., Davis T.A., Matthews M.A., Drews M.J., La Berge M., An Y.H. Sterilization using high-pressure carbon dioxide – a review / J. Zhang, T.A. Davis, M.A. Matthews et al // J. of Supercritical Fluids. – 2006. – V. 38. – Is. 3. – P. 354-372.
- Spilimbergo S. Non-thermal bacteria inactivation with dense CO2 / S. Spilimbergo, A. Bertucco // J. of Biotechnology and Bioengineering. – 2003. – № 84. – Р. 627-638.
- Hossain Md. S. Modeling the inactivation of Staphylococcus aureus and Serratiamarcescens in clinical solid waste using supercritical fluid carbon dioxide / Md.S. Hossain, V. Balakrishnan, N. AbRahman et al // J. of Supercritical Fluids. – 2013. – V. 83. – P. 47-56.
- Silva M.A. Inactivation of Bacillus subtilis and Geobacillus stearothermophilus inoculated over metal surfaces using supercritical CO2 process and nisin / M.A. Silva, A.P. Araujo, J. de S. Ferreira // J. of Supercritical Fluids. – 2016. – V. 109. – P. 87-94.
Загрузка...
