Tijdens het productieproces moeten veel medische apparaten of apparatuur voor gebruik bij mensen worden gesteriliseerd volgens erkende normen. Dit omvat jassen, chirurgische afdeklakens, spuiten en implanteerbare medische hulpmiddelen. In feite hebben de Verenigde Staten een enorme sterilisatie-industrie voor medische apparatuur, gereguleerd door de Amerikaanse Food and Drug Administration. De verwachting is dat de industrie de komende jaren aanzienlijk zal groeien.

De meest voorkomende sterilisatiemethoden voor medische hulpmiddelen zullen die aanhoudende groei waarschijnlijk niet aankunnen, zeggen deskundigen op dit gebied. Bovendien zoekt de industrie naar alternatieven, aangezien de twee leidende technologieën stoffen gebruiken – ethyleenoxide en kobalt-60 – die veiligheidsproblemen opleveren.

Onderzoekers van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie denken dat ze kunnen helpen. Ze bouwen een prototype van een elektronenbundelversneller die vier opkomende versnellertechnologieën integreert in één enkel, efficiënt versnellersysteem. Industriële partners zouden zo'n machine kunnen gebruiken om röntgenfoto's te maken voor sterilisatieapparatuur.

"De focus van onze inspanningen ligt op het ontwikkelen van een krachtige elektronenbundel die kan dienen als alternatief voor grootschalige kobaltfaciliteiten", zegt Thomas Kroc, toepassingsfysicus en hoofdonderzoeker van de sterilisatie-inspanningen van Fermilab voor medische apparatuur. "Daarbij maken we gebruik van de ervaring met supergeleidende versnellers die we hier bij Fermilab hebben ontwikkeld. We denken dat de technologie de efficiëntie biedt die het haalbaar maakt om elektronenversnellers te gebruiken die medische apparatuur kunnen steriliseren, evenals bestaande grote faciliteiten die andere methoden gebruiken."

Evoluerende sterilisatiemethoden

Eind jaren vijftig werden elektronenstralen voor het eerst gebruikt om medische apparatuur te steriliseren, maar het gebruik ervan werd belemmerd door problemen met de betrouwbaarheid van de apparatuur. In plaats daarvan werden gammastraling – hoogenergetische fotonen geproduceerd door het radioactieve verval van kobalt-60 – de meest gebruikte stralingssterilisatietechnologie. Sinds die tijd, en vooral in het laatste decennium, zijn de elektronenbundeltechnologie en de röntgentechnologie enorm verbeterd. Kroc gelooft dat ze nu haalbare alternatieven zijn voor gammastraling. Fermilab gaat de ontwikkeling en commercialisering van deze alternatieven onderzoeken.

Tegenwoordig wordt ongeveer 50% van de medische apparaten in de Verenigde Staten gesteriliseerd met behulp van ethyleenoxide, een kleurloos gas dat micro-organismen doodt. Het is uiterst effectief bij het steriliseren van hitte- of vochtgevoelige medische apparatuur zonder deze te beschadigen. Een groot deel van de rest, ongeveer 40%, wordt gesteriliseerd met behulp van ioniserende straling, zoals gammastraling, gemaakt op basis van kobalt-60, een radioactieve isotoop van kobalt. De rest maakt gebruik van röntgenstralen of elektronenbundels.

Gezondheids- en milieuproblemen met betrekking tot het gebruik van het sterk gereguleerde ethyleenoxide stimuleren de zoektocht naar alternatieven. Het gebruik van radioactieve isotopen zoals kobalt-60 is geen goed alternatief, omdat dit zorgen baart op het gebied van de volksgezondheid en de nationale veiligheid. Ook zijn er praktische zaken zoals hoe je het resterende radioactieve afval veilig en efficiënt kunt transporteren en afvoeren. Daarnaast is er wereldwijd een tekort aan kobalt zelf.

Het NNSA Office of Radiological Security promoot het gebruik van alternatieve technologieën, waaronder elektronenstralen, voor stralingssterilisatie om de Amerikaanse afhankelijkheid van kobalt-60 te verminderen. Gezien zijn sterke basis in deeltjesbundeltechnologie is Fermilab een leider op dit gebied.

Sterilisatie van medische hulpmiddelen met kobalt wordt op grote schaal uitgevoerd vanwege het doordringende vermogen van de gammastraling die kobalt creëert. De gammastraling kan pallets vol medische apparatuur doorkruisen en steriliseren.

Röntgenstralen bieden penetratie net zo effectief als gammastraling. Wetenschappers kunnen elektronenbundelversnellers bedienen en de elektronen dwingen röntgenstralen uit te zenden zonder het restafval te creëren dat gepaard gaat met de productie van gammastraling. Maar de huidige versnellertechnologie voor deze systemen is niet energie- of kostenefficiënt.

Het Fermilab-team wil daar verandering in brengen. Ze werken aan de ontwikkeling van een nieuw type elektronenbundelversnellersysteem. De kern van hun systeem bestaat uit een supergeleidende radiofrequentieholte die wordt gebruikt om geladen deeltjes voort te stuwen. Hun sleutel tot het creëren van een efficiënter versnellersysteem is het beheren van het warmtebudget van de ovenruimte.

Het combineren van meerdere opkomende technologieën

De typische SRF-holte die tegenwoordig in de meeste wetenschappelijke faciliteiten wordt gebruikt, is gemaakt van niobium. Er is vloeibaar helium nodig om het koud genoeg te houden om elektrische stromen zonder weerstand te geleiden, het kenmerk van supergeleidend materiaal. In plaats van een fabriek voor het vloeibaar maken van helium en alle bijbehorende infrastructuur te bouwen, maakt het innovatieve ontwerp dat bij Fermilab is ontwikkeld, gebruik van in de handel verkrijgbare cryokoelers. Deze worden ook gebruikt in MRI-machines, die koeling nodig hebben voor hun supergeleidende magneten. Maar om de door apparatuur geproduceerde warmte binnen een niveau te houden dat de cryokoelers aankunnen, moet de totale warmte die door het systeem wordt gegenereerd tijdens bedrijf binnen ongeveer vijf watt liggen, minder dan de warmte die doorgaans door een gloeilamp wordt geproduceerd.

Om binnen die grens te blijven combineert het team van Fermilab vier technologieën. Van elk van deze is onafhankelijk aangetoond dat ze werken. Hun prototype zal deze gepatenteerde technologieën integreren in een energie-efficiënt acceleratiesysteem.

Ten eerste gebruiken ze niobium SRF-holtes bedekt met tin, waardoor de bedrijfstemperatuur van de supergeleidende holte stijgt en deze binnen het werkbereik van een cryokoeler komt. Vervolgens plaatsen ze de bron van de elektronen, het straalkanon, rechtstreeks in de holte in plaats van de elektronenbundel via een transportlijn van een externe bron te transporteren. Dit minimaliseert de hoeveelheid externe warmte die in het supergeleidende holtesysteem kan lekken. Op dezelfde manier ontwierpen ze de koppeling die het radiofrequentievermogen naar de holte overbrengt om de hoeveelheid warmte die van buitenaf kan binnendringen te minimaliseren. Ten slotte gebruiken ze geleidingskoeling in de commerciële cryokoeler en aluminium om de cryokoeler met de SRF-holte te verbinden. Samen zal dit systeem elektronen efficiënt versnellen tot de energieën die nodig zijn voor de productie van röntgenstraling.

Om röntgenfoto's te maken, wordt de straal van de elektronenversneller gericht op een doel gemaakt van tantaal, wolfraam of een ander zwaar element. Het materiaal vertraagt ​​de elektronen snel en de deeltjes zenden als reactie röntgenstraling uit, een proces dat bekend staat als Bremsstrahlung-straling. De energie van de resulterende röntgenstralen is gelijk aan de energie die de elektronen verliezen als ze vertragen.

Toepassing die verder gaat dan de natuurkunde

Om het gebruik van elektronenstraalversnellers voor de sterilisatie van medische apparatuur te bevorderen, organiseert Fermilab jaarlijks een sterilisatieworkshop voor medische apparatuur. De vijfde dergelijke workshop, gehouden van 20 tot 21 september 2023 in Fermilab, bracht meer dan 200 belanghebbenden bijeen, persoonlijk en online. Deelnemers kwamen uit Brazilië, Canada, Duitsland en de hele Verenigde Staten. Onder hen bevonden zich vertegenwoordigers van grote contractbedrijven voor de sterilisatie van medische apparatuur, fabrikanten van versnellers, fabrikanten van medische apparatuur, de academische wereld, industriële toezichthouders en federale toezichthouders.

"Deze workshop brengt meerdere groepen belanghebbenden samen; belanghebbenden die niet vaak de gelegenheid hebben om elkaar te ontmoeten en transversale kwesties te bespreken in een pre-competitieve omgeving. Op dezelfde manier geeft het de FDA de mogelijkheid om op een bepaalde manier met deze belanghebbenden in gesprek te gaan en informatie te delen. die we anders niet echt zouden krijgen”, zei Ryan Ortega, een toezichthouder van de Amerikaanse Food and Drug Administration, die tijdens het evenement sprak.

"Deelname aan de workshop was een zeer nuttige en positieve ervaring voor mij en mijn FDA-collega's. We krijgen elk jaar een aanzienlijke hoeveelheid bruikbare informatie en betrokkenheid van belanghebbenden uit de workshop", aldus Ortega.

Door dit multidisciplinaire discours mogelijk te maken, willen de organisatoren van de workshop de overstap van ethyleenoxide en gammastraling producerende kobalt-60 naar op versnellers gebaseerde technologie vergemakkelijken en de basis leggen voor het commercialiseren van deze technologie.

"We willen de expertise van Fermilab en de kracht van elektronenbundeltechnologie benutten om de economische groei te stimuleren, de ontwikkeling van de gemeenschap te bevorderen, aan de nationale veiligheidsbehoeften te voldoen en een omgeving van innovatie te creëren", zegt William Pellico van Fermilab, directeur van het Illinois Accelerator Research Center. "De wetenschappers van Fermilab die aan deze opkomende versnellertechnologie werken, worden aangemoedigd door de steun en toewijding van de NNSA aan dit streven."

De weg naar commercialisering

Terwijl het technische team zich richt op het operationeel krijgen van het prototype van de elektronenbundelversneller, is een ander onderdeel van het project het kijken naar commercialiseringsmogelijkheden.

Een van de commercialiseringshindernissen die overwonnen moeten worden, is de mogelijkheid voor kleine en middelgrote bedrijven om op versnellers gebaseerde sterilisatie in eigen huis uit te voeren. Bedrijven zijn op zoek naar kosteneffectieve versnelleropties die zijn afgestemd op hun behoeften.

Een team van wetenschappers en ingenieurs bij Fermilab bouwt een compact prototype van een versneller die elektronen kan voortstuwen met een energie van 1,6 miljoen elektronvolt en een straalvermogen heeft van 20 kilowatt. Het prototype zal hen in staat stellen de integratie van de verschillende technologieën die ze samenbrengen te valideren. Het is ook een stap in de richting van kleinere sterilisatietoepassingen. Het uiteindelijke doel is een versneller met een straalenergie van 7,5 MeV en een straalvermogen van 200 kW, die een geldig alternatief zou zijn voor grote kobalt-60-installaties.

"Het prototype is niet het uiteindelijke doel, maar er zijn bedrijven die geïnteresseerd zijn in het bouwen van dit soort versnellers voor kleine, compacte, end-of-line-gebruiksscenario's zoals bloedkitsterilisatie", aldus Kroc. "Hoewel we specifieke verzoeken proberen te faciliteren, dient deze ontwikkeling ook de sector als geheel."

Kroc wees er ook op dat deze sterilisatietoepassingen met versnellerstraling niet beperkt zijn tot medische apparatuur. Vertegenwoordigers uit de bioprocesindustrie, die systemen voor eenmalig gebruik maakt voor de vervaardiging van vaccins en farmaceutische producten, namen deel aan de Medical Device Sterilization Workshop. Het zijn gebruikers van gammastralingsterilisatie die willen overstappen op röntgenstraling.

Zodra het 1,6 MeV-prototype is gebouwd en getest, verwacht Kroc een workshop te houden speciaal voor bedrijven en industrieën die het potentieel hebben om commercialiseringspartners te worden. "We zullen onze voortgang en resultaten presenteren en feedback krijgen over de vraag of we aan hun vraag voldoen, welke aanpassingen we mogelijk moeten maken, en vervolgens proberen verdere interesse te wekken", aldus Kroc.

Geleverd door Fermi National Accelerator Laboratory