电子束能量对医用级硅胶力学性能及外观特性的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：Influence of Electron Beam Energy on the Mechanical and Visual Properties of Medical-Grade Silicone

　　

**摘要**

• 系统评估了1.8至10 MeV电子束能量对医用级硅胶性能的影响。
• 吸收剂量是控制硅胶性能变化的主要因素。
• 在中等电子束能量（2.3–4.0 MeV）下黄变最为明显。
• 随剂量增加出现材料硬化，但拉伸性能损失极小。
• 低能和中能电子束产生的材料响应与10 MeV电子束相当。

**引言**

灭菌是医疗器械的一项基本要求，旨在确保可预测的无菌保证水平（SAL）为10??（ISO-11137-1, 2025）。历史上，环氧乙烷（EtO）和钴-60伽马辐照一直是主要的灭菌方法。EtO与多种医用材料和包装器械相容，但EtO灭菌工艺需要漫长的曝气时间，并引发操作人员的安全隐患（Garvey, 2024; Mendes et al., 2007; Mukhopadhayay and Chatterjee, 2023）。各国对EtO排放的监管限制的制定进一步促使制造商探索替代灭菌技术（Fifield et al., 2019; Hasan et al., 2024）。钴-60可以在集中式、有屏蔽的设施中提供深度且均匀的剂量，但处理周期长达数小时；而近年来钴源的供应、安全和处置压力，加之许多伽马辐照设施已处于或接近满载运行，暴露了钴-60供应链中的脆弱性。机器式技术如高能电子束（10 MeV）和X射线（7.5 MeV）灭菌提供快速、无残留的处理，且无需放射性源（Fifield et al., 2021a, b; Silindir Gunay and Ozer, 2009），但高能电子束和X射线产生的韧致辐射的穿透性要求大量混凝土作为屏蔽材料。屏蔽是10 MeV全景治疗设施资本成本中的重要组成部分（Dhuley et al., 2022）。这些叠加压力——包括钴-60产能/供应风险和EtO管控趋严——正在加速对非同位素技术解决方案的兴趣，无论是集中式设施还是在线或终端技术。最终采用在线/终端/集中式设施的决定将取决于制造场景的具体因素，并取决于最终用户。

加速器技术的最新进展使得开发紧凑型、低至中等能量（分别为不超过2 MeV和2–5 MeV）的线性加速器成为可能，这些加速器可以直接集成到生产线中（Belugin et al., 2001; Morisseau et al., 2009）。15 kW电子束系统的吞吐量相当于1 MCi的钴-60。广义而言，电子束系统≤ 1 MeV被视为低能电子束（LEEB），其对应的X射线称为低能X射线（LEEX）。类似地，MEEB/MEEX和HEEB/HEEX分别用于指定中等能量系统（1 MeV至5 MeV之间）和高能量系统（5 MeV至10 MeV之间）。这些分类主要用于描述电子束或X射线系统时的便利。与传统的伽马辐照设施（30–40 kW）相比，这些在线加速器通常仅需6–8 kW的束流功率，占用约100 m2的自屏蔽占地面积，而传统10 MeV安装则需超过1000 m2（Geltser, 2023）。其连续在线运行减少了与异地灭菌相关的处理和物流延误，缩短了产品放行时间。此外，这些系统可以降低能耗（约0.13 kWh/lb，而EtO为约0.22 kWh/lb），将运营成本降至约$0.50/kg，并减少运输相关排放（Geltser, 2023）。这些实际优势使得较低能量的在线电子束灭菌（MEEB和MEEX）成为许多医疗器械组件的一种具有吸引力的低成本选择，前提是对能量和剂量依赖的材料效应进行充分表征。

硅胶弹性体以柔韧且化学惰性的硅氧烷（Si–O–Si）主链交联成三维网络结构为特征，赋予其优异的机械韧性、氧化稳定性和氧气渗透性（Chru?ciel, 2022; Mazurek et al., 2019）。这些特性使其在生物医学领域得到广泛应用，包括心血管导管和心脏瓣膜假体（Rezvova et al., 2023）、眼内/隐形眼镜（Fitzgerald, 2021; García-Feijoó et al., 2003; Nicolson and Vogt, 2001）、软组织假体（Ghazali et al., 2025; Powell et al., 2020）、用于心电、脑电和血压监测的生物电极（Han et al., 2025; Kim et al., 2019），以及导管、隔膜、阀门、氧合器组件和用于血液接触及血液处理设备的特种涂层（Chou et al., 2022; Chru?ciel, 2025）。然而，接触电离辐射可能会改变硅胶弹性体的网络结构，从而潜在地影响其机械性能和外观（Flores et al., 2024; Gautriaud et al., 2010），因此需要持续评估灭菌技术和处理条件。

产品面密度是电子束工艺设计中的一个关键考量因素（Miller, 2005）。面密度定义为产品质量除以暴露在电子束下的面积，通常以g/cm2表示。外部尺寸相似的产品可能由于质量、内部空隙、材料组成或产品排列的差异而具有不同的面密度。因此，应根据束流路径方向和实际负载配置来评估电子穿透和剂量均匀性。电子束能量是一个重要的工艺参数，因为它控制电子穿透和辐照产品中能量沉积分布（Cleland et al., 2002）。因此，产品面密度与束流能量和辐照几何形状共同影响最终的剂量均匀性比（DUR）。Miller（2005）针对水等效材料的双面辐照展示了这一关系，并表明对于约1 MeV以上的电子能量（E），最大利用效率的最佳面密度可估算为d_opt（g/cm2）= 0.9E（MeV）? 0.4。该关系给出1.8、2.3、3.0、4.0和10 MeV电子能量下大约1.2、1.7、2.3、3.2和8.6 g/cm2的最佳面密度。这些数值不应被解释为固定的穿透限制，而是说明了可处理面密度随电子能量增加而增大的趋势。因此，特定医疗器械的合适束流能量取决于其沿束流路径的面密度、负载配置、辐照几何形状和所需剂量均匀性。

先前关于电离辐射对硅胶弹性体影响的研究通常报道了在灭菌相关剂量下以交联为主导的响应，伴随机械和光学性质的相对温和变化。早期的伽马辐照研究表明硬度及模量的剂量依赖性增加与网络交联密度增加有关，而仅在明显更高的剂量下才观察到明显的脆化（Palsule et al., 2008）。最近，Ning等人（2023）报道在高能电子束辐照下，硅胶橡胶的交联密度和拉伸强度随吸收剂量增加而初步升高，而伸长率则降低；在更高剂量下，响应从交联转向降解。商业硅胶材料的行业评估同样报道了灭菌辐照后模量和硬度的增加以及伸长率的适度降低（Gautriaud et al., 2010）。最近，Flores等人（2024）报道医用级硅胶橡胶在伽马和电子束辐照（25–80 kGy）后仅表现出轻微化学变化，氧化程度有限且断裂伸长率有轻微降低。

尽管已有报道伽马和高能电子束暴露后硬度及模量的剂量依赖性增加、伸长率降低以及黄变加剧（Labouriau et al., 2015; Liu et al., 2022; Palsule et al., 2008; Stathi et al., 2010），但缺乏低到中能与高能电子束处理硅胶的对比研究。由于电子能量控制穿透深度、散射行为和辐照组件内的剂量分布，在相同吸收剂量下暴露的不同材料可能因束流能量和材料组成的不同而经历不同的性能变化。这代表了一个知识空白，对于旨在用于自有医疗器械制造的低能和中能（LEEB和MEEB）在线或终端灭菌系统尤为相关。为促进行业向在线自有低能电子束灭菌过渡，必须量化束流能量和吸收剂量如何影响硅胶的机械、光谱和视觉性能。

因此，本研究旨在：

• 检查在低到中能（1.8、2.3、3.0、4.0 MeV）和10 MeV电子束能量下辐照的硅胶弹性体试样的性能。
• 表征在各能量水平下辐照至15、25和35 kGy总剂量的试样的机械、光谱和视觉性能。
• 将材料性能的统计学显著变化与电子束能量和吸收剂量的差异相关联，并在先前报道的硅胶弹性体辐射诱导网络修饰的背景下讨论结果。

通过阐明这些关系，本研究评估了采用低到中能电子束灭菌用于基于硅胶的医疗器械应用的可行性。

**章节摘要**

**所用材料描述**

本研究所评估的硅胶试样由Terumo BCT, Inc.直接提供，未对具体材料配方和/或硫化工艺建立详细记录。Starlim以ASTM D638 IV型哑铃形试样形式制造这些材料，厚度约为3 mm，长度约为115 mm。硅胶试样按原始状态使用，未经进一步纯化或处理。该医用级弹性体配方目前正在评估中。

**结果**

本部分考察电子束能量和吸收剂量对医用级硅胶性能的影响。第3.1节呈现所选灭菌相关剂量下增加束流能量的效果，第3.2节则研究各单独能量水平下剂量依赖的性能变化。

**讨论**

在本研究中，我们系统评估了电子束能量（1.8–4.0 MeV对比常规10 MeV）和吸收剂量（15、25、35 kGy）对医用级硅胶弹性体机械、光谱和视觉性能的影响。机械测试显示，在所有研究的能量下，刚度和硬度随剂量增加而逐步升高，而断裂伸长率和极限拉伸强度基本不随能量变化（除了一处……）

**结论**

本研究评估了电子束能量（1.8–10 MeV）和吸收剂量（15–35 kGy）对医用级硅胶弹性体机械、光谱和视觉性能的影响。吸收剂量是控制材料响应的主要因素，在所有研究的能量下均产生了50%割线模量和邵氏M硬度的显著增加。相比之下，断裂伸长率和极限拉伸强度基本不受束流能量影响，仅有一处轻微……

**CRediT作者贡献声明**

Cristofer Tong：验证、方法论、调查。Gustavo Varca：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、概念化。Suresh D. Pillai：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、概念化。Ilia Geltser：资源、方法论、概念化。Mark K. Murphy：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。Yelin Ni：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查、形式分析。Md Kamrul Hasan：撰写——

**未引用参考文献**

ISO-11137-1, 2025.

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在已知可能影响本文工作报告的竞争性经济利益或个人关系。

**6. 致谢**

作者衷心感谢Terumo BCT提供硅胶弹性体试样。低能电子束处理在E-BEAM Services, Inc.完成，高能电子束处理在德州农工大学电子束研究中心完成。感谢Mark Murphy和Jennifer Elster（PNNL）的项目领导、Angel Ortiz进行的硬度测试、Donghui Li进行的FTIR测量，以及Scott Cooley进行的统计分析。

**作者名单：** Md Kamrul Hasan | Yelin Ni | Mark K. Murphy | Leonard S. Fifield | Ilia Geltser | Suresh D. Pillai | Gustavo Varca | Cristofer Tong