中國科學(xué)院武漢文獻情報中心 黃 翠 梁慧剛

中國科學(xué)院武漢病毒研究所 湯華山 童 驍△

0 引言

席卷全球的新冠肺炎疫情發(fā)生后，國際生物安全形勢愈發(fā)嚴峻，國家把生物安全納入國家安全體系。高等級生物安全實驗室在應(yīng)對這類突發(fā)公共衛(wèi)生事件中起著非常重要的作用。為保證實驗人員的安全及降低病原微生物泄漏的風(fēng)險，開展新冠病毒這類高致病性病原微生物研究的高等級生物安全實驗室對相關(guān)設(shè)施設(shè)備的要求很高。蒸汽滅菌器是生物安全實驗室處理污染廢棄物的設(shè)備，可使實驗活動中產(chǎn)生的固體廢棄物在高溫蒸汽滅菌處理后得以安全移出，是高等級生物安全實驗室核心關(guān)鍵防護裝備，直接影響到實驗室運行的環(huán)境安全。蒸汽滅菌器也是醫(yī)療機構(gòu)常用的設(shè)備，主要用于器械、敷料、生活用品和廢棄物等的滅菌，以防止病原微生物感染患者和醫(yī)務(wù)工作者。本文比較了高等級生物安全實驗室使用的生物安全型蒸汽滅菌器與普通醫(yī)用蒸汽滅菌器之間的區(qū)別，重點分析了相比普通醫(yī)用蒸汽滅菌器，生物安全型蒸汽滅菌器在設(shè)計和性能方面的主要特點，為我國自主研制高性能的生物安全型蒸汽滅菌器提供相關(guān)參考。

1 蒸汽滅菌器簡介

滅菌(setirilazition)是指利用物理或化學(xué)方法殺滅或清除傳播媒介上細菌、病毒等所有微生物[1]。蒸汽滅菌法是一種濕熱滅菌法，其作用原理是通過高溫蒸汽使微生物蛋白質(zhì)變性或凝固以達到滅菌的目的，是一種非常高效的滅菌方法。

1.1 蒸汽滅菌器的基本結(jié)構(gòu)

不同類型的蒸汽滅菌器通常結(jié)構(gòu)各異，但大體由四部分組成：主體、密封門、管道系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。主體的內(nèi)室由不銹鋼制成，具有良好的耐腐蝕性，外殼由承壓保溫材料制成，可最大限度地減少設(shè)備散熱，確保主體具備足夠高的承壓能力和良好的隔熱保溫性能，從而有效地保護工作環(huán)境。密封門主要由機械傳動系統(tǒng)組成，另外配有橡膠密封圈和安全連鎖裝置，確保蒸汽滅菌器的密封和正常啟動，從而保證高溫工作的安全穩(wěn)定。管道系統(tǒng)主要包括蒸汽、空氣、水和壓縮空氣等管路。整個蒸汽滅菌過程分為預(yù)真空、加熱和加壓、壓力釋放和干燥等階段?？刂葡到y(tǒng)不僅具備多項控制功能，如條件控制、計時、計數(shù)、步進等，還能進行數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理，從而監(jiān)控整個滅菌過程[2]。

目前高等級生物安全實驗室和醫(yī)療機構(gòu)比較常用的是脈動真空蒸汽滅菌器，采用多次抽真空和充入蒸汽交替作用，使得腔內(nèi)溫度可達到不同滅菌物品對應(yīng)的滅菌溫度，從而達到較好的滅菌效果。這類滅菌器的優(yōu)點包括滅菌徹底、滅菌效率高等[3]。

1.2 生物安全型蒸汽滅菌器

蒸汽滅菌器是生物安全實驗室處理有毒有害污染廢棄物的主要設(shè)備，是防止實驗室廢棄物中感染性物質(zhì)外泄、維護實驗室生物安全的關(guān)鍵核心設(shè)備。根據(jù)實驗室生物安全防護水平的不同，生物安全實驗室可分為生物安全一級實驗室(BSL-1)、生物安全二級實驗室(BSL-2)、生物安全三級實驗室(BSL-3)和生物安全四級實驗室(BSL-4)，其中BSL-1的防護水平最低，BSL-4的防護水平最高。依據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的《實驗室生物安全手冊》(第三版)[4]，不同生物安全防護水平的實驗室對實驗室設(shè)施設(shè)備的要求也不同，其中明確提出“BSL-3中應(yīng)配置用于污染廢棄物消毒的蒸汽滅菌器”，并且“BSL-4內(nèi)必須配備雙門、傳遞型蒸汽滅菌器”(見表1)。本文所述的生物安全型蒸汽滅菌器指用于BSL-3和BSL-4的蒸汽滅菌設(shè)備。

表1 不同生物安全防護水平的實驗室對蒸汽滅菌器的要求

1.3 醫(yī)用蒸汽滅菌器

醫(yī)用蒸汽滅菌器是臨床上常見的一種消毒滅菌設(shè)備，主要用于對醫(yī)院耐高溫、高壓和高濕的醫(yī)療器械及手術(shù)服、床單等醫(yī)務(wù)用品進行消毒滅菌[5]。醫(yī)用蒸汽滅菌器是醫(yī)院在預(yù)防和控制醫(yī)院感染以保證醫(yī)療安全中不可或缺的重要設(shè)備。雖然醫(yī)用滅菌器還有環(huán)氧乙烷和等離子等類型，但蒸汽滅菌器具有滅菌快、成本低、效果好等優(yōu)點，使其成為各醫(yī)院滅菌設(shè)備的首選。

2 生物安全型蒸汽滅菌器與醫(yī)用蒸汽滅菌器的比較

生物安全實驗室，特別是高等級生物安全實驗室(BSL-3和BSL-4)通常開展高致病性病原微生物相關(guān)的檢測和研究，而普通醫(yī)用蒸汽滅菌器是針對醫(yī)療器械和用品中常規(guī)性病原的消殺，因此高等級生物安全實驗室存在的生物安全風(fēng)險更高。為保障實驗室生物安全，生物安全型蒸汽滅菌器在生物安全防護水平和有關(guān)性能方面的要求更高。

《病原微生物實驗室生物安全管理條例》(國務(wù)院令424號)、GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》[6]、GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》[7]及WS 233—2017《病原微生物實驗室生物安全通用準(zhǔn)則》[8]等文件中對生物安全型蒸汽滅菌器有明確的要求。例如：BSL-3應(yīng)在防護區(qū)內(nèi)配備生物安全型壓力蒸汽滅菌器；宜安裝生物安全型的雙扉壓力蒸汽滅菌器，其主體應(yīng)安裝在易維護的位置，與圍護結(jié)構(gòu)的連接之處應(yīng)可靠密封。BSL-4應(yīng)在核心工作間內(nèi)配備生物安全型壓力蒸汽滅菌器；如果配備雙扉壓力蒸汽滅菌器，其主體所在房間的室內(nèi)氣壓應(yīng)為負壓，并應(yīng)設(shè)在實驗室防護區(qū)內(nèi)易更換和維護的位置。

表2給出了生物安全型蒸汽滅菌器與普通醫(yī)用蒸汽滅菌器設(shè)計和性能的主要差異[9-12]。相比普通醫(yī)用蒸汽滅菌器，生物安全型蒸汽滅菌器在設(shè)計和性能方面[13-16]主要有以下幾個特點。

表2 生物安全型蒸汽滅菌器與普通醫(yī)用蒸汽滅菌器的設(shè)計和性能主要差異[9-12]

2.1 雙門結(jié)構(gòu)和連鎖設(shè)計，嚴格防范污染

高等級生物安全實驗室在布局上分為防護區(qū)和非防護區(qū)，并且防護區(qū)與非防護區(qū)是完全隔離的。為了防止污染，生物安全型蒸汽滅菌器采用雙門結(jié)構(gòu)(即設(shè)備兩側(cè)設(shè)計有門板，滅菌后可供2個不同區(qū)域開門)、前后門互鎖密封及設(shè)備自帶生物密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)2個區(qū)域的嚴格密封及防護區(qū)和非防護區(qū)之間的有效隔離。防護區(qū)與非防護區(qū)之間物品的傳遞通過雙門滅菌器來實現(xiàn)，為了防止防護區(qū)污染非防護區(qū)，生物安全型蒸汽滅菌器還采用密封門安全鎖緊裝置，以保證其2個門不能同時打開，保護生物安全實驗室不受外界污染。例如，WHO《實驗室生物安全手冊》(第三版)明確指出：只有在外門安全鎖閉后，實驗室內(nèi)的工作人員才可以打開內(nèi)門取出物品；蒸汽滅菌器的門采用互鎖結(jié)構(gòu)，除非蒸汽滅菌器運行了一個滅菌循環(huán)，或已清除熏蒸室的污染，否則外門不能打開。

2.2 設(shè)備安裝密封要求更高，達到有效隔離

GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》規(guī)定：雙扉蒸汽滅菌器主體應(yīng)安裝在易維護的位置，與圍護結(jié)構(gòu)的連接之處應(yīng)可靠密封。為了有效隔離生物安全實驗室的潔凈區(qū)和非潔凈區(qū)，生物安全型蒸汽滅菌器采用穿墻設(shè)計，并且強調(diào)生物安全型蒸汽滅菌器在安裝時與圍護結(jié)構(gòu)的連接之處可靠密封。具體的實驗室墻壁安裝方式為提前預(yù)埋不銹鋼鋼板在門底邊，然后焊接預(yù)埋框，實現(xiàn)預(yù)埋框與不銹鋼墻壁四周滿焊，預(yù)埋框四周有螺桿，滅菌器腔體四周外圍帶有螺桿邊框，用橡膠墊圈實現(xiàn)預(yù)埋框螺桿與滅菌器腔體四周的螺桿連接，最后用不銹鋼壓條壓緊，實現(xiàn)連接密封(見圖1)。例如，目前國際微生物學(xué)組織推薦使用的Systec生物安全型雙扉滅菌器設(shè)計了穿墻密封裝置，通過焊接和厚橡膠密封圈使設(shè)備達到完全密封，形成的生物安全屏障提供了一個氣密型隔離，從而阻止了微生物的滲透。

圖1 雙扉蒸汽滅菌器安裝示意圖

2.3 采用脈動真空系統(tǒng)排氣，確保滅菌效果

目前生物安全型蒸汽滅菌器全部采用脈動真空系統(tǒng)進行排氣，通過真空泵把腔體的空氣抽盡變成真空狀態(tài)，然后充入蒸汽，反復(fù)多次交替作用，保證滅菌室內(nèi)的冷空氣徹底排放，100%蒸汽貫穿待滅菌物品內(nèi)部，脈動方式的滅菌器滅菌徹底、效率高、干燥效果好。利用無脈動真空系統(tǒng)的滅菌器進行滅菌，待滅菌物品中的冷空氣無法徹底排除，從而無法保證滅菌的徹底性。

2.4 廢氣、冷凝水徹底滅菌，實現(xiàn)無菌化排放

普通醫(yī)用蒸汽滅菌器只能對待滅菌物品進行正常滅菌，不能保證滅菌過程中產(chǎn)生的排放物的無菌化處理，無法有效實現(xiàn)對操作人員的生物安全保護。

生物安全型蒸汽滅菌器需要對含有或可能含有高致病性病原微生物的物品進行徹底的滅菌處理，存在的生物安全風(fēng)險較高。為確保實驗室的生物安全，生物安全型蒸汽滅菌器不僅要實現(xiàn)對待滅菌物品的無菌化處理，還要保證運行過程向外界排放的冷凝水、蒸汽、空氣等所有物質(zhì)均處于無菌狀態(tài)，以滿足生物安全實驗室滅菌排放的要求。例如，Systec生物安全型蒸汽滅菌器設(shè)計有排氣過濾系統(tǒng)，濾芯包含孔徑0.2 μm的聚四氟乙烯(PTFE)濾膜，滅菌器運行過程中的空氣和冷凝水在滅菌結(jié)束之前全部被保留在腔體內(nèi)部進行滅菌，確保排放前所有潛在的致病微生物及氣溶膠都經(jīng)過了高效過濾。有些生物安全型蒸汽滅菌器還設(shè)計了焚燒爐，氣體經(jīng)過高效過濾，再經(jīng)過焚燒爐后排放，進一步保障了排放的安全性。

2.5 設(shè)置過濾器監(jiān)測和檢測系統(tǒng)，保障過濾效果

對于生物安全型蒸汽滅菌器來說，過濾器一旦失效可能帶來重大的安全事故，因此，監(jiān)測和測試過濾器的有效性是生物安全型蒸汽滅菌器保障滅菌效果和防止污染的一個重要部分。生物安全型蒸汽滅菌器設(shè)置了過濾器自動滅菌系統(tǒng)，可定期對過濾器進行在線滅菌，以保障過濾器的過濾效果。在線滅菌是系統(tǒng)自動將飽和蒸汽通到過濾器中進行滅菌處理和滅菌后的干燥處理，一般設(shè)有專門的閥門、測溫探頭和在線滅菌程序。例如，Systec生物安全型蒸汽滅菌器的過濾器內(nèi)部含有一個可實時監(jiān)測過濾器在線滅菌情況的Pt100溫度探頭；Systec滅菌監(jiān)控系統(tǒng)還記錄過濾器的使用情況，在達到使用時間和次數(shù)上限時提醒用戶及時進行更換。過濾器完整性也是保障過濾效果的一個重要方面，一些生物安全型蒸汽滅菌器還設(shè)置了專門的過濾器完整性測試儀，供用戶在過濾器滅菌后、使用前對過濾器的完整性進行檢測。

此外，生物安全型蒸汽滅菌器還設(shè)置了各類警報控制系統(tǒng)，包括溫度過高報警功能、壓力過高報警功能、應(yīng)急手動處理系統(tǒng)等，以有效保障操作人員和周圍環(huán)境的安全。

3 思考與啟示

近年來，新發(fā)和再發(fā)傳染病疫情不斷出現(xiàn)，如禽流感、埃博拉、寨卡、中東呼吸綜合征等。據(jù)WHO統(tǒng)計，截至2021年6月5日，2020年全球范圍內(nèi)暴發(fā)的新冠肺炎疫情，累計感染人數(shù)已超過1.72億以上，造成370萬以上人員死亡，目前疫情還在全球繼續(xù)蔓延。作為從事高致病性病原微生物檢測和科學(xué)研究的高等級生物安全實驗室的關(guān)鍵核心設(shè)備，生物安全型蒸汽滅菌器在防止病原微生物污染、人員感染和病原泄漏方面起著基礎(chǔ)和關(guān)鍵性的作用。目前國內(nèi)滅菌器的設(shè)計大多基于傳統(tǒng)滅菌設(shè)備架構(gòu)，只是對傳統(tǒng)設(shè)備的升級改造，在醫(yī)院作為醫(yī)用滅菌器使用較為普遍，很少開展能滿足高等級生物安全防護水平需求的生物安全型蒸汽滅菌器的研究。

3.1 加強設(shè)備自主研制，滿足相關(guān)行業(yè)需求

國外生物安全型蒸汽滅菌器自上世紀(jì)90年代開始生產(chǎn)，主要生產(chǎn)廠家有瑞典公司和德國公司。目前瑞典公司的GEB系列生物安全型蒸汽滅菌器產(chǎn)品在大型生物安全型蒸汽滅菌器(300 L以上)市場中占據(jù)絕對優(yōu)勢，德國公司的D系列生物安全型蒸汽滅菌器產(chǎn)品在小型生物安全型蒸汽滅菌器(200 L以上)市場中占據(jù)絕對優(yōu)勢[17]。

我國對生物安全問題的愈發(fā)重視，以及生物安全實驗室，特別是高等級生物安全實驗室的不斷建設(shè)和發(fā)展，直接推動了我國生物安全防護設(shè)施設(shè)備行業(yè)的發(fā)展[18]。近年來，我國研制的滅菌器在技術(shù)和性能方面都有了一定的進步，但主要作為醫(yī)用滅菌器使用。目前國內(nèi)尚無完全符合高等級生物安全實驗室要求的生物安全型蒸汽滅菌器，僅山東某醫(yī)療器械股份有限公司和江蘇某醫(yī)療設(shè)備有限公司開始了可在BSL-3使用的生物安全型蒸汽滅菌器的相關(guān)研究。行業(yè)其他公司多為中小型規(guī)模企業(yè)，生產(chǎn)的產(chǎn)品趨于中低端，并且產(chǎn)品類型簡單、同質(zhì)化嚴重，缺少對新型高端產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新等。鑒于這一背景，當(dāng)前我國高等級生物安全實驗室使用的生物安全型蒸汽滅菌器主要依賴進口，特別是BSL-4專用的生物安全型蒸汽滅菌器都是依賴進口。當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)能夠滿足高等級生物安全實驗室要求的高性能低成本的專業(yè)滅菌器，打破國外公司形成的技術(shù)壟斷，滿足我國迅速發(fā)展的生物安全行業(yè)的需求。

3.2 強化核心技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)設(shè)備升級改造

2016年底，國家發(fā)展和改革委員會與科技部聯(lián)合發(fā)布了《高級別生物安全實驗室體系建設(shè)規(guī)劃(2016—2025年)》，標(biāo)志著我國高等級生物安全實驗室建設(shè)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進入了新的階段。截至2018年9月，我國已有78個BSL-3通過中國合格評定國家認可委員會認證認可；已建成2個BSL-4實驗室。在國家積極建設(shè)高等級生物安全實驗室，但相關(guān)國產(chǎn)配套生物安全型蒸汽滅菌器跟不上的背景下，需要集中力量加強生物安全型蒸汽滅菌器關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)，突破滅菌器在密封性、性能穩(wěn)定性等方面的核心技術(shù)，掌握相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新和發(fā)展主動權(quán)[19]。

主要措施包括：加強生物安全型蒸汽滅菌器關(guān)鍵基礎(chǔ)件的研發(fā)投入和政策傾斜，引導(dǎo)人才投身到關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)中去；設(shè)立生物安全型蒸汽滅菌器研制的相關(guān)專項，鼓勵和支持相關(guān)科研機構(gòu)和制造企業(yè)從基礎(chǔ)研究發(fā)力，激勵原始創(chuàng)新和核心技術(shù)研發(fā)，強化技術(shù)改造升級；加強國際合作，通過引進、消化、吸收國外的生物安全型蒸汽滅菌器的研制和創(chuàng)新理念，加速掌握相關(guān)的核心技術(shù)，在現(xiàn)有普通醫(yī)用滅菌器等設(shè)備的基礎(chǔ)上，優(yōu)化自動化程度、穩(wěn)定性、安全性和有效性，以滿足生物安全實驗室的防護要求。

3.3 制定國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外都沒有針對生物安全型蒸汽滅菌器的專門標(biāo)準(zhǔn)，只能參考生物安全型蒸汽滅菌器應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》、GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》、WS 233—2017《病原微生物實驗室生物安全通用準(zhǔn)則》、《實驗室生物安全手冊》(第三版)等。為促進相關(guān)行業(yè)規(guī)范的有序發(fā)展，促進國家生物安全型蒸汽滅菌器整體研制水平的提升，我國需要在基于國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定專門針對生物安全型蒸汽滅菌器研發(fā)和生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，明確生物安全型蒸汽滅菌器在品種、規(guī)格、技術(shù)性能、試驗方法、檢驗規(guī)則、維修管理等方面的要求。

主要措施包括：鼓勵標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織和國內(nèi)技術(shù)對口單位積極組織相關(guān)技術(shù)研發(fā)機構(gòu)，主導(dǎo)提出或參與針對生物安全型蒸汽滅菌器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)等研制工作，通過標(biāo)準(zhǔn)提升產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢；不斷強化廣大企業(yè)和相關(guān)單位的標(biāo)準(zhǔn)化意識，鼓勵企業(yè)積極參與到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作中；采取各種措施促進標(biāo)準(zhǔn)的實施，包括行業(yè)準(zhǔn)入、生產(chǎn)許可、合格評定/認證認可、行政執(zhí)法、監(jiān)督抽查等。

3.4 推動產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，促進國產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用

目前我國雖然沒有研制出可以用于BSL-4的生物安全型蒸汽滅菌器，但一些企業(yè)已經(jīng)開始了生物安全型蒸汽滅菌器的相關(guān)研究并取得了一定的成效，如山東某醫(yī)療器械股份有限公司開發(fā)的BIST-P3系列生物安全型脈動真空滅菌器、江蘇某醫(yī)療設(shè)備有限公司開發(fā)的防污脈動真空滅菌器，可以用于BSL-3，但在國內(nèi)BSL-3中的應(yīng)用程度不高，相關(guān)滅菌設(shè)備主要還是依賴進口。國家需要積極組織和引導(dǎo)相關(guān)重點科研機構(gòu)和企業(yè)，在科研開發(fā)、市場開拓、業(yè)務(wù)分包等方面開展合作，建立“產(chǎn)、學(xué)、研、用”四位一體的合作平臺，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展及行業(yè)整體能力的提升。

主要措施包括：鼓勵科研機構(gòu)、高校和重點企業(yè)以項目為紐帶，以委托研發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)等形式開展技術(shù)合作，圍繞生物安全型滅菌設(shè)備研發(fā)開展關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)的研究和攻關(guān)；積極搭建產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的創(chuàng)新服務(wù)平臺，重點建設(shè)科技資源信息共享平臺、技術(shù)交流平臺和科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)平臺，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈；加強研發(fā)與使用需求的對接，在生物安全型滅菌設(shè)備產(chǎn)品性能得到有效提升的基礎(chǔ)上，大力倡導(dǎo)相關(guān)高等級生物安全實驗室使用國產(chǎn)生物安全型滅菌設(shè)備，充分發(fā)揮市場競爭機制在促進國產(chǎn)滅菌設(shè)備產(chǎn)業(yè)水平整體提升中的作用。