CC BY
64вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МЕДИЦИНЕ
1* 2 Столов А.А. , Микилев А.И.
2 OFS, Avon, CT USA 2 OFS Россия, г.Москва * E-mail: stolov@ofsoptics.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16077
Оптические волокна широко применяются в медицине, в частности, в лазерной хирургии, в эндоскопии и в качестве различного рода зондов [1]. Если известно, что данный вид оптического волокна будет использоваться внутри человеческого тела, то это волокно должно пройти стерилизацию, дабы гарантировать, что оно не содержит микроорганизмов, таких как грибки, бактерии, вирусы или споры. При этом важно, чтобы процесс стерилизации не сказался негативно на оптических и механических свойствах волоконного световода.
Стерилизация - это любой процесс, который эффективно уничтожает все микроорганизмы с поверхности обрабатываемого объекта. Методы стерилизации можно условно подразделить на три группы. Первая группа методов использует высокие температуры и включает в себя кипячение в воде, автоклавирование, термическую обработку и обработку пламенем. Методы из второй группы используют ядовитые химические соединения, которые убивают микроорганизмы. Среди наиболее применяемых химических соединений - окись этилена, надуксусная кислота, озон, формальдегид и перекись водорода. Третья группа методов использует воздействие различными видами излучения: ультрафиолетовым, рентгеновским, гамма или бета излучением. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки и, теоретически, может приводить к изменению свойств оптического волокна.
Поскольку в медицине могут применяться световоды с различными полимерными покрытиями, важно знать, насколько тип полимера влияет на поведение волокон в тех или иных условиях стерилизации. Поэтому для исследований нами были выбраны волокна как с классическим двуслойным акрилатным покрытием, так и с полиимидным, силиконовым и фторакрилатным. В последних двух случаях, полимерные покрытия были защищены буфером из полиэфирэфиркетона (PEEK) и сополимера этилена и тетрафторэтилена (ETFE). Изучались как многомодовые, так и одномодовые световоды. В качестве легирующих элементов выступали германий, фосфор, фтор и алюминий. Кроме этого, некоторые световоды имели сердцевину из чистого диоксида кремния. Все изучаемые волокна являлись продуктами фирмы OFS.
Были изучены воздействия следующих методов стерилизации: автоклавирование, обработка надуксусной кислотой (CH3C(O)OOH), окисью этилена (C2H4O), УФ, гама и бета излучением [2-4]. Все стерилизационные процедуры проводились по нашей просьбе фирмами, профессионально занимающимися стерилизацией медицинского оборудования: MicoScience, Geotec, Steris, Medivators и Nutec. Основные выводы работы можно свести к следующему.
Обработка окисью этилена и надуксусной кислотой проводится при умеренных температурах (60 и 24° С, соответственно) и не приводит к каким-либо заметным изменениям оптических и механических свойств волоконных световодов, что иллюстрируется диаграммой на Рис. 1.
Стерилизация ультрафиолетовым облучением, проводимом на «бактерицидной» длине волны 253.7 нм и мощности 125 ^.V/cm2 в течение 48 часов также не влияет на основные свойства оптических волокон.
Наибольшие проблемы для механических свойств световодов может вызвать автоклавирование, которое проводилось при 132°С и давлении 2 бар. Каждый цикл автоклавирования включал в себя повышение температуры до 132°С, нахождение на максимальной температуре 8 минут и последующее снижение температуры до комнатной. Поскольку некоторые виды медицинского оборудования применяются многократно, каждый образец подвергался автоклавированию 20 раз, и после каждых пяти циклов механическая прочность волокон измерялась методом двухточечного изгиба. Как выяснилось, двадцать циклов автоклавирования не привели к уменьшению механической прочности волокон (Рис. 1). Кроме средней механической прочности мы определяли также параметры коррозийной стойкости к механическому напряжению (nd), которые лишь для волокна с акрилатным покрытием немного снизились после 20 циклов автоклавирования.
Наиболее серьезные изменения наблюдались под воздействием гамма и бета излучений, применяемые дозы которых составляли 30 - 50 kGy. Прежде всего, было обнаружено, что оптические
154 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
волокна, имеющие фторакрилатные покрытия, теряют механическую прочность после обработки этими видами излучения (Рис. 1). Это было объяснено генерацией молекул фтороводорода (ИР), которые диффундируют на поверхность стеклянной оболочки, реагируют с ней и вызывают коррозию. Интересно, что анализ ИК-спектров не показывает каких-либо заметных изменений в химической структуре полимерного покрытия (фторакрилата) и буфера (ЕТРЕ), и, тем не менее, ионизирующее излучение производит фатальный эффект на волокна с перфторированными полимерными оболочками. В то же время, для трех других видов полимерных покрытий подобное механическое ослабление не наблюдается.
Рис. 1. Механическая прочность оптических волокон до и после ряда стерилизационных процедур
1 Ge-doped, NA-0.21 ---Gc-doped, NA - 0.12 Pure Si02
4 t
\
\
\ \
\ \
\ 1 ч
\ 4
600 800 1000 1200 1400 1G00
Wavelength (nm)
Рис. 2. Оптическое погашение для трех одномодовых световодов после дозы бета облучения (32 КСуза 15минут)
Обработка световодов бета и гамма-излучениями приводит к дополнительным оптическим потерям. Влияние ионизирующего (прежде всего, гамма) излучения на оптические свойства волоконных световодов хорошо известно [5-7], однако не всегда можно количественно предсказать эффект их воздействия, поскольку это зависит и от химического состава сердцевины, и от метода изготовления оптического волокна. В качестве иллюстрации, на Рис. 2 приведены спектры погашения оптических волокон, легированных германием. Волокно с числовой апертурой NA = 0.21 содержит значительно больше германия, чем волокно с NA =0.12 и, поэтому ожидалось, что первый из световодов будет пропорционально более чувствителен к ионизирующим излучениям. Однако, в области длин волн >1600 nm волокно с NA = 0.21, как оказалось, имеет меньшие коэффициенты погашения.
В целом, как и ожидалось, под влиянием бета и гамма облучения погашение света зависит, прежде всего, от типа легирующего элемента и расположено в порядке: SiO2 « F < Ge << P << Al. Для световодов, легированных фосфором и алюминием при дозе облучения в 32 kGy, минимальные коэффициенты погашения в области 600 - 1700 нм составили порядка 10 и 104 dB/km, соответственно. Одинаковая доза гамма и бета облучения приводит приблизительно к одинаковым изменениям в спектрах погашения оптических волокон. Последующая термическая обработка (в нашем случае 100°С в течение 24 часов) приводит примерно к 30% падению коэффициентов затухания.
Хотя для большинства волоконных световодов погашение света существенно возрастает после стерилизации ионизирующим излучением, важно помнить, что для практических применений в медицине используются достаточно короткие участки волокон - порядка трех метров и менее. С учетом этого, для большинства волокон с сердцевиной из чистого SiO2 или легированного фосфором или германием, стерилизационные дозы облучения не являются фатальными. В то же время, для стерилизации волоконных световодов легированных фосфором или алюминием нельзя применять ионизирующее излучение.
Литература
1. Mendez, A., 3rd Workshop on Specialty Optical Fibers and their Applications, T3.1 (2013)
2. Stolov, A. A. et al, Proc. SPIE 8576, 857606 (2013)
3. Stolov, A.A., et al, Proc. SPIE 8938, 893806 (2014)
4. Stolov A. A. et al, Proc. SPIE, 10872, 08720B (2019)
5. Girard, S. et al, IEEE Trans. Nucl. Sci. 60, 2015-2036 (2013)
6. Tomashuk, A. L. et al, IEEE Trans. Nucl. Sci, 45, 1566-1569 (1998)
7. Tomashuk, A. L. andZabezhailov, M. O., J. Appl. Phys. 109, 083103 (2011)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 155
