Under tillverkningsprocessen måste många medicinska apparater eller utrustning för användning på människor steriliseras enligt erkända standarder. Detta inkluderar klänningar, operationsdukar, sprutor och implanterbar medicinsk utrustning. Faktum är att USA har en enorm steriliseringsindustri för medicintekniska produkter, reglerad av U.S. Food and Drug Administration. Branschen förväntas växa avsevärt under de kommande åren.
De vanligaste steriliseringsmetoderna för medicintekniska produkter kommer sannolikt inte att kunna hantera den fortsatta tillväxten, säger experter på området. Dessutom letar industrin efter alternativ eftersom de två ledande teknologierna använder ämnen – etylenoxid och kobolt-60 – som utgör säkerhetsproblem.
Forskare vid det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory tror att de kan hjälpa. De bygger en prototyp av elektronstråleaccelerator som integrerar fyra framväxande acceleratorteknologier i ett enda, effektivt acceleratorsystem. Industriella partners skulle kunna använda en sådan maskin för att göra röntgenstrålar för sterilisering av utrustning.
"Fokus för vår ansträngning är att utveckla en högeffekts elektronstråle som kan fungera som ett alternativ till storskaliga koboltanläggningar", säger Thomas Kroc, applikationsfysiker och huvudutredare för Fermilabs insatser för sterilisering av medicintekniska produkter. "Genom att göra det utnyttjar vi den supraledande acceleratorerfarenhet som vi utvecklat här på Fermilab. Vi tror att teknologin ger den effektivitet som gör det möjligt att köra elektronacceleratorer som kan sterilisera medicinsk utrustning såväl som befintliga stora anläggningar som använder andra metoder."
Elektronstrålar användes först för att sterilisera medicinsk utrustning i slutet av 1950-talet, men deras användning hämmades av utrustningens tillförlitlighetsproblem. Istället blev gammastrålar - högenergifotoner som produceras av det radioaktiva sönderfallet av kobolt-60 - den bästa tekniken för strålningssterilisering. Sedan den tiden, och särskilt under det senaste decenniet, har elektronstråletekniken och röntgentekniken förbättrats avsevärt. Kroc tror att de nu är livskraftiga alternativ till gammastrålar. Fermilab kommer att undersöka utvecklingen och kommersialiseringen av dessa alternativ.
Idag steriliseras cirka 50 % av medicintekniska produkter i USA med etylenoxid, som är en färglös gas som dödar mikroorganismer. Det är extremt effektivt för att sterilisera värme- eller fuktkänslig medicinsk utrustning utan att skada den. Mycket av återstoden, cirka 40 %, steriliseras med joniserande strålning som gammastrålar skapade av kobolt-60, en radioaktiv isotop av kobolt. Resten använder röntgenstrålar eller elektronstrålar.
Hälso- och miljöhänsyn när det gäller användningen av den starkt reglerade etylenoxiden driver sökandet efter alternativ. Användningen av radioaktiva isotoper som kobolt-60 är inte ett bra alternativ eftersom det utgör hälso- och nationell säkerhet. Den har också praktiska frågor som hur man transporterar och gör sig av med det radioaktiva avfallet på ett säkert och effektivt sätt. Dessutom finns det en global brist på kobolt i sig.
NNSA Office of Radiological Security har främjat användningen av alternativ teknik, inklusive elektronstrålar, för strålningssterilisering för att minska USA:s beroende av kobolt-60. Med tanke på sin starka grund inom partikelstråleteknik är Fermilab ledande inom detta arbete.
Sterilisering av medicintekniska produkter med kobolt utförs i stor skala på grund av den penetrerande kraften hos de gammastrålar som kobolt skapar. Gammastrålarna kan passera och sterilisera pallar fulla av medicinsk utrustning.
Röntgenstrålar ger penetration lika effektiv som gammastrålar. Forskare kan använda elektronstråleacceleratorer och tvinga elektronerna att avge röntgenstrålar utan att skapa restavfall i samband med produktion av gammastrålar. Men den nuvarande acceleratortekniken för dessa system är inte energi- eller kostnadseffektiv.
Fermilab-teamet siktar på att ändra på det. De arbetar med att utveckla en ny typ av elektronstråleacceleratorsystem. Kärnan i deras system är en supraledande radiofrekvenskavitet som används för att driva fram laddade partiklar. Deras nyckel till att skapa ett effektivare acceleratorsystem är att hantera kavitetens värmebudget.
Den typiska SRF-håligheten som används i de flesta vetenskapsanläggningar idag är gjord av niob. Det kräver flytande helium för att hålla det tillräckligt kallt för att leda elektriska strömmar utan motstånd, kännetecknet för supraledande material. Istället för att bygga en heliumvätskeanläggning och all tillhörande infrastruktur, använder den innovativa designen som utvecklats på Fermilab kommersiellt tillgängliga kryokylare. Dessa används också i MRI-maskiner, som behöver kyla för sina supraledande magneter. Men för att hålla värmen som produceras av utrustning inom en nivå som kryokylarna kan hantera, måste den totala värme som genereras av systemet under drift vara inom cirka fem watt – mindre än värmen som vanligtvis skapas av en glödlampa.
För att hålla sig inom den gränsen kombinerar Fermilab-teamet fyra teknologier. Var och en av dessa har självständigt visat sig fungera. Deras prototyp kommer att integrera dessa patenterade teknologier i ett energieffektivt acceleratorsystem.
Först använder de niob SRF-håligheter belagda med tenn, vilket ökar driftstemperaturen för den supraledande kaviteten och placerar den inom en kryokylares driftsområde. Därefter bäddar de in källan till elektronerna, strålpistolen, direkt i kaviteten istället för att transportera elektronstrålen från en extern källa via en transportledning. Detta minimerar mängden extern värme som kan läcka in i det supraledande kavitetssystemet. På samma sätt designade de kopplaren som överför radiofrekvenseffekten in i kaviteten för att minimera mängden värme som kan komma in från utsidan. Slutligen använder de ledningskylning i den kommersiella kryokylaren och aluminium för att ansluta kryokylaren till SRF-kaviteten. Tillsammans kommer detta system effektivt att accelerera elektroner till de energier som behövs för röntgenproduktion.
För att göra röntgenstrålar riktas strålen från elektronacceleratorn mot ett mål av tantal, volfram eller annat tungt element. Materialet saktar snabbt ner elektronerna och partiklarna sänder ut röntgenstrålar som svar, en process som kallas Bremsstrahlung-strålning. Energin hos de resulterande röntgenstrålarna är lika med energin som förloras av elektronerna när de saktar ner.
För att främja användningen av elektronstråleacceleratorer för sterilisering av medicintekniska produkter är Fermilab värd för en årlig workshop för sterilisering av medicintekniska produkter. Den femte sådana workshopen, som hölls 20-21 september 2023 på Fermilab, samlade mer än 200 intressenter, personligen och online. Deltagarna kom från Brasilien, Kanada, Tyskland och över hela USA. De inkluderade representanter från stora kontrakterade steriliseringsföretag för medicintekniska produkter, acceleratortillverkare, medicintekniska tillverkare, akademin, industriella tillsynsmyndigheter och federala tillsynsmyndigheter.
"Denna workshop sammanför flera intressentgrupper; intressenter som inte ofta har möjlighet att träffas och diskutera övergripande frågor i en miljö före konkurrens. På samma sätt ger det FDA en möjlighet att engagera sig och dela information med dessa intressenter på ett sätt som vi egentligen inte förstår något annat, säger Ryan Ortega, en tillsynsmyndighet från U.S. Food and Drug Administration som talade vid evenemanget.
"Deltagandet i workshopen har varit en mycket fördelaktig och positiv upplevelse för mig och mina FDA-kollegor. Vi får en betydande mängd handlingskraftig information och engagemang från intressenterna från workshoppen varje år", säger Ortega.
Genom att möjliggöra denna tvärvetenskapliga diskurs strävar workshoparrangörerna efter att underlätta övergången från etylenoxid- och gammastrålningsproducerande kobolt-60 till acceleratorbaserad teknik och lägga grunden för kommersialisering av denna teknik.
"Vi vill utnyttja Fermilabs expertis och kraften hos elektronstråleteknik för att stimulera ekonomisk tillväxt, främja samhällsutveckling, möta nationella säkerhetsbehov och skapa en miljö av innovation", säger Fermilabs William Pellico, chef för Illinois Accelerator Research Center. "Forskarna på Fermilab som arbetar med denna framväxande acceleratorteknik uppmuntras av NNSA:s stöd och engagemang för denna strävan."
Medan det tekniska teamet fokuserar på att få igång prototypen av elektronstråleacceleratorn, är en annan komponent i projektet att titta på kommersialiseringsvägar.
Ett av kommersialiseringshindren som måste övervinnas är möjligheten för små och medelstora företag att göra acceleratorbaserad sterilisering i egen regi. Företag letar efter kostnadseffektiva acceleratoralternativ som är dimensionerade för att möta deras behov.
Ett team av forskare och ingenjörer på Fermilab bygger en kompakt prototypaccelerator som kan driva elektroner till energin 1,6 miljoner elektronvolt och har en stråleffekt på 20 kilowatt. Prototypen kommer att göra det möjligt för dem att validera integrationen av de olika teknologier som de sammanför. Det är också ett steg mot mindre steriliseringstillämpningar. Det slutliga målet är en accelerator med 7,5 MeV strålenergi och 200 kW stråleffekt, vilket skulle vara ett giltigt alternativ till stora kobolt-60-anläggningar.
"Prototypen är inte det slutgiltiga målet, men det finns företag som är intresserade av att bygga den här typen av acceleratorer för små, kompakta, end-of-line-typ användningsfall som blodkitsterilisering", säger Kroc. "Medan vi försöker underlätta specifika förfrågningar, tjänar denna utveckling också branschen som helhet."
Kroc påpekade också att dessa tillämpningar för sterilisering av acceleratorstrålestrålning inte är begränsade till medicinsk utrustning. Representanter från bioprocessindustrin, som tillverkar engångssystem för tillverkning av vacciner och läkemedel, deltog i Medical Device Sterilization Workshop. De är användare av gammastrålningssterilisering som vill gå över till röntgenstrålar.
När 1,6-MeV-prototypen är byggd och testad, räknar Kroc med att hålla en workshop speciellt för företag och industrier som har potential att bli kommersialiseringspartners. "Vi kommer att presentera våra framsteg och resultat och få feedback om huruvida vi möter deras efterfrågan, vilka justeringar vi kan behöva göra, och sedan försöka stimulera ytterligare intresse", säger Kroc.
Tillhandahålls av Fermi National Accelerator Laboratory
