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Ethylene oxide sterilisation of medical devices : development of mathematical models for prediction of ethylene oxide diffusion and microbial lethality
| dc.contributor.advisor | Silva, Cristina Luísa Miranda | |
| dc.contributor.advisor | Brandão, Teresa Maria Ribeiro da Silva | |
| dc.contributor.author | Mendes, Gisela Cristina da Cunha | |
| dc.date.accessioned | 2012-06-18T08:06:20Z | |
| dc.date.available | 2012-06-18T08:06:20Z | |
| dc.date.issued | 2011-11-05 | |
| dc.date.submitted | 2011 | |
| dc.description.abstract | O óxido de etileno (EO) é um agente de esterilização dominante na indústria dos dispositivos médicos, devido à sua efectividade e compatibilidade com a maioria dos materiais. Considerando o crescimento exponencial do mercado de dispositivos médicos sensíveis, complexos e sofisticados, assim como de conjuntos de procedimento customizados (que combinam uma grande diversidade de produtos e gama de polímeros) utilizados em actos médicos e cirúrgicos específicos, o EO emerge como o método de esterilização de eleição. A optimização deste processo constitui um desafio devido ao facto da competitividade do mercado global exigir custo-efectividade, flexibilidade e redução do tempo de ciclo necessário à colocação dos produtos no mercado, sem prejuízo da segurança e assegurando o cumprimento dos requisitos reguladores. A esterilização por EO é um processo multi-paramétrico complexo, que exige uma fase final de arejamento dos materiais. A eficácia destes processos é influenciada por diversas variáveis (e.g. temperatura, humidade, concentração do agente, material alvo), pelo que a sua optimização exige o conhecimento da influência das condições impostas e das suas relações com os produtos. A modelização matemática do processo de esterilização e arejamento permite a definição das condições óptimas para morte microbiana e desgaseificação, respectivamente. Tal permite a redução dos tempos de ciclo e/ou concentração de EO, assim como a comparação de diferentes processos de esterilização. Deste modo é possível contribuir para o desenvolvimento de processos com eficiência e flexibilidade acrescidas e a libertação paramétrica da esterilização surge assim cientificamente apoiada. Nesta dissertação foi estudada a influência das condições de processo na esterilização de dispositivos médicos por EO. Este é um processo implementado na empresa Bastos Viegas, S.A., desde 2005. Foram estudados os efeitos e interacções da temperatura, concentração de óxido de etileno e humidade relativa na inactivação do Bacillus subtilis, var. niger (ATCC 9372), o microrganismo de referência usado no controlo do processo. As experiências foram realizadas em câmaras de esterilização, com uma carga de campos cirúrgicos. Aplicou-se um planeamento experimental factorial 23 para avaliação dos efeitos das três variáveis (de acordo com limites comuns de condições operacionais) na letalidade da esterilização por EO. A inactivação do B. subtilis apresentou um comportamento sigmoidal e um modelo baseado em Gompertz foi ajustado com sucesso aos dados experimentais. Características importantes das curvas, tais como atraso inicial e taxa de inactivação foram considerados parâmetros do modelo. A temperatura e a concentração de óxido de etileno foram as variáveis que afectaram significativamente esses parâmetros, pelo que experiências adicionais foram realizadas de forma a incluir o efeito dessas variáveis do processo. Foi desenvolvido um modelo matemático para previsão da morte de B. subtilis expresso em função da temperatura e concentração de EO. Uma vez que a letalidade demonstrou estar directamente relacionada com a concentração de agente esterilizante, compreender a efectividade da esterilização por EO suscita obter a permeabilidade dos materiais ao gás, assim como o conhecimento sobre a dinâmica deste processo. A análise em tempo real da concentração de EO no espaço-livre do esterilizador tem-se tornado prática comum e o desafio neste momento é prever o seu valor no interior da carga. Foi desenhado, concebido e desenvolvido um equipamento para determinar a difusividade e a solubilidade de EO, e a permeabilidade de diversos materiais ao gás, pela metodologia de tempo de atraso. A operação deste equipamento é baseada no princípio de medição de uma mudança transiente de pressão em condições de volume e temperatura constantes (abordagem pressão-variável) e permite a determinação do tempo de atraso e do fluxo de EO em estado estacionário através de diversos materiais. As experiências foram executadas com um material de campo cirúrgico, a uma temperatura típica de esterilização, i.e. 48 ˚C, e a uma pressão de 3,2x105 Pa. As propriedades de transferência do EO no campo cirúrgico foram usadas para modelizar a sua cinética numa carga industrial do mesmo material. A segunda lei de Fick demonstrou ser adequada na descrição do processo de transferência, o que foi validado pela utilização de dosímetros que integraram a concentração de EO durante o tempo de exposição. A etapa de arejamento é importante para reduzir os resíduos de EO a um nível seguro e neste contexto, prever a desorção do EO é uma importante ferramenta para a optimização global da esterilização por EO. A cinética de desorção de EO de diferentes materiais esterilizados foi avaliada numa gama de temperaturas de arejamento entre 1,5 e 59,0 °C. Os dados experimentais seguiram um processo de difusão Fickiano e as difusividades foram estimadas para dois materiais médicos têxteis e dois poliméricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para uma melhor compreensão da dinâmica do processo de esterilização por EO e por conseguinte, para uma optimização e controlo eficiente deste processo. | por |
| dc.description.abstract | Ethylene oxide (EO) is a dominant sterilisation agent in medical device industry, due to its effectiveness and compatibility with most materials. Considering the exponential market growth of sensitive, complex and sophisticated medical devices, as well as custom procedure packs (that combine a large diversity of products and range of polymers) for use in specific medical and surgical procedures, EO emerges as the sterilisation method of choice. The process optimisation is a challenge, due to the fact that the global competition market requires cost effectiveness, flexibility and inherent reduction of turnaround time required to get the products to market, without compromising safety and compliance with regulatory requirements. Ethylene oxide sterilisation is a complex multi-parameter process that requires an aeration final step of the materials. The effectiveness of these processes is influenced by several variables (e.g. temperature, humidity, concentration of the agent, target material), so their optimisation requires knowledge of the influence of the conditions imposed and of their relations with the products. Mathematical modelling of the sterilisation and aeration processes allows the definition of optimal microbial inactivation and outgassing conditions, respectively. This allows cycle times and/or EO concentration reduction, as well as the comparison of different sterilisation processes. In this way it is possible to contribute to the development of processes with added efficiency and flexibility and, therefore, the parametric release of the sterilization arises scientifically supported. In this dissertation the influence of process conditions on EO sterilization of medical devices was studied. This is an implemented process in Bastos Viegas, S.A. company, since 2005. The main effects and interactions of temperature, ethylene oxide concentration and relative humidity on the inactivation of the Bacillus subtilis, var. niger (ATCC 9372), the reference microorganism used in the control of the process, were assessed. The experiments were carried out in sterilisation chambers, with a load of surgical drapes. A 23 full factorial experimental design was applied for evaluation of the effects of the three variables (under the common limits of operational conditions) on microbial lethality by EO sterilisation. The B. subtilis inactivation presented a sigmoidal behaviour and a Gompertz based model was successfully applied in experimental data fitting. Important characteristics of the curves, as initial shoulder and inactivation rate were considered model parameters. Temperature and ethylene oxide concentration were the variables that significantly affected those parameters, so additional experiments were carried out to include the effects of those process variables. A mathematical model for B. subtilis death prediction was developed, expressed in terms of temperature and EO concentration. Since the lethality was found to be directly related with the sterilant agent concentration, understanding EO sterilisation effectiveness requires attaining gas permeability of materials, as well as the knowledge of the process dynamics. The on-line analysis of EO concentration in the steriliser head-space is becoming common practice and the challenge now is to predict its value within the load. An apparatus was designed, conceived and developed for determination of EO diffusivity and solubility, and gas permeability of sheet materials, by lag time methodology. The operation of this apparatus is based upon the principle of measuring a transient change in pressure at conditions of constant volume and temperature (variable-pressure approach) and allows determination of lag time and steady state flow of EO through different materials. Experiments were carried out with a surgical drape material at a standard sterilisation temperature, i.e. 48 ˚C, and at a pressure of 3.22x105 Pa. The transport properties of EO through surgical drape were used for modelling its kinetics through an industrial load of the same material. The Fick‟s second law was adequate for describing the transport process, which was validated by the use of dosimeters that integrated EO concentration through exposure time. The aeration step is important for reducing EO residues to a safe level and in this context, prediction of EO desorption is a valuable tool for the overall optimisation of EO sterilisation. The kinetics of EO desorption, from different sterilised materials, was assessed within the range of aeration temperatures from 1.5 to 59.0 °C. The experimental data followed a Fickian diffusion process and diffusivities were estimated for two textile and two polymeric medical materials. The results presented in this dissertation contributes to a better understanding of the full dynamics of EO sterilisation and consequently, for an optimisation and efficient control of this process. | |
| dc.identifier.tid | 101225440 | por |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.14/8552 | |
| dc.language.iso | eng | por |
| dc.subject | Dispositivos médicos | por |
| dc.subject | Esterilização | por |
| dc.subject | Óxido de etileno | por |
| dc.subject | Esporos de bacillus subtilis | por |
| dc.subject | Microbiologia preditiva | por |
| dc.subject | Célula de permeação | por |
| dc.subject | Difusão de óxido de etileno | por |
| dc.subject | Processo de arejamento | por |
| dc.subject | Polímeros | por |
| dc.subject | Materiais têxteis | por |
| dc.subject | Medical devices | por |
| dc.subject | Sterilisation | por |
| dc.subject | Ethylene oxide | por |
| dc.subject | Bacillus subtilis spores | por |
| dc.subject | Predictive microbiology | por |
| dc.subject | Permeation apparatus | por |
| dc.subject | Ethylene oxide diffusion | por |
| dc.subject | Aeration process | por |
| dc.subject | Polymers | por |
| dc.subject | Textile materials | por |
| dc.title | Ethylene oxide sterilisation of medical devices : development of mathematical models for prediction of ethylene oxide diffusion and microbial lethality | por |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| rcaap.rights | openAccess | por |
| rcaap.type | doctoralThesis | por |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Biotecnologia |
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