_ Cercetătorii dezvoltă un accelerator de fascicul de electroni pentru sterilizarea medicală echipamente

În timpul procesului de fabricație, multe dispozitive medicale sau echipamente pentru utilizare pe oameni trebuie să fie sterilizate conform standardelor recunoscute. Acestea includ halate, draperii chirurgicale, seringi și dispozitive medicale implantabile. De fapt, Statele Unite au o industrie uriașă de sterilizare a dispozitivelor medicale, reglementată de U.S. Food and Drug Administration. Se așteaptă ca industria să crească considerabil în următorii ani.

Cele mai obișnuite metode de sterilizare a dispozitivelor medicale nu vor putea face față acestei creșteri continue, spun experții în domeniu. În plus, industria caută alternative, deoarece cele două tehnologii de vârf folosesc substanțe — oxidul de etilenă și cobaltul-60 — care prezintă probleme de siguranță.

Cercetătorii de la Laboratorul Național Accelerator Fermi al Departamentului Energiei din SUA cred că pot ajuta . Ei construiesc un prototip de accelerator cu fascicul de electroni care integrează patru tehnologii de accelerație emergente într-un singur sistem de accelerare eficient. Partenerii industriali ar putea folosi o astfel de mașină pentru a produce raze X pentru sterilizarea echipamentelor.

„Accentul efortului nostru este de a dezvolta un fascicul de electroni de mare putere care poate servi ca alternativă la instalațiile de cobalt la scară largă. ”, a spus Thomas Kroc, fizician de aplicații și investigator principal al eforturilor de sterilizare a dispozitivelor medicale Fermilab. „Făcând asta, exploatăm experiența acceleratorului supraconductor pe care am dezvoltat-o ​​aici la Fermilab. Credem că tehnologia oferă eficiența care face posibilă rularea acceleratoarelor de electroni care pot steriliza echipamentele medicale, precum și instalațiile mari existente care folosesc alte metode”.

Fasciculele de electroni au fost folosite mai întâi pentru sterilizarea echipamentelor medicale la sfârșitul anilor 1950, dar utilizarea lor a fost îngreunată de problemele de fiabilitate a echipamentelor. În schimb, razele gamma - fotoni de înaltă energie produși de dezintegrarea radioactivă a cobaltului-60 - au devenit tehnologia de sterilizare prin radiații. De atunci, și mai ales în ultimul deceniu, tehnologia fasciculului de electroni și tehnologia cu raze X s-au îmbunătățit considerabil. Kroc crede că acum sunt alternative viabile la razele gamma. Fermilab va analiza dezvoltarea și comercializarea acestor alternative.

Astăzi, aproximativ 50% dintre dispozitivele medicale din Statele Unite sunt sterilizate folosind oxid de etilenă, care este un gaz incolor care ucide microorganismele. Este extrem de eficient la sterilizarea echipamentelor medicale sensibile la căldură sau umiditate, fără a le deteriora. O mare parte din restul, aproximativ 40%, sunt sterilizate folosind radiații ionizante precum razele gamma create din cobalt-60, un izotop radioactiv al cobaltului. Restul folosesc raze X sau fascicule de electroni.

Preocupările de sănătate și de mediu cu privire la utilizarea oxidului de etilenă foarte reglementat conduc la căutarea alternativelor. Utilizarea izotopilor radioactivi, cum ar fi cobaltul-60, nu este o alternativă bună, deoarece prezintă probleme de sănătate și securitate națională. De asemenea, are probleme practice, cum ar fi modul de transport și eliminare a deșeurilor radioactive reziduale în siguranță și eficient. În plus, există o penurie la nivel mondial de cobalt în sine.

Oficiul NNSA pentru Securitate Radiologică a promovat utilizarea tehnologiilor alternative, inclusiv fasciculelor de electroni, pentru sterilizarea prin radiații pentru a reduce dependența SUA de cobalt-60. Având în vedere bazele sale puternice în tehnologia fasciculului de particule, Fermilab este lider în acest efort.

Sterilizarea dispozitivelor medicale cu cobalt se realizează pe scară largă datorită puterii de penetrare a razelor gamma pe care le creează cobaltul. Razele gamma pot traversa si steriliza paleti plini cu echipamente medicale.

Razele X oferă o penetrare la fel de eficientă ca razele gamma. Oamenii de știință pot opera acceleratoare ale fasciculului de electroni și pot forța electronii să emită raze X fără a crea deșeuri reziduale asociate cu producția de raze gamma. Dar tehnologia actuală de accelerare pentru aceste sisteme nu este eficientă din punct de vedere energetic sau din punct de vedere al costurilor.

Echipa Fermilab își propune să schimbe acest lucru. Ei lucrează la dezvoltarea unui nou tip de sistem accelerator al fasciculului de electroni. În centrul sistemului lor se află o cavitate supraconductoare de frecvență radio care este folosită pentru a propulsa particulele încărcate. Cheia lor pentru crearea unui sistem accelerator mai eficient este gestionarea bugetului de căldură al cavității.

Cavitatea tipică SRF utilizată în majoritatea unităților științifice de astăzi este făcută din niobiu. Este nevoie de heliu lichid pentru a-l menține suficient de rece pentru a conduce curenții electrici fără rezistență, semnul distinctiv al materialului supraconductor. În loc să construiască o instalație de lichefiere a heliului și toată infrastructura asociată, designul inovator dezvoltat la Fermilab folosește criocooler disponibile în comerț. Acestea sunt, de asemenea, utilizate în aparatele RMN, care au nevoie de răcire pentru magneții lor supraconductori. Dar pentru a menține căldura produsă de echipamente într-un nivel pe care îl pot gestiona criorăcitoarele, căldura totală generată de sistem în timpul funcționării trebuie să fie de aproximativ cinci wați – mai mică decât căldura creată de obicei de un bec.

Pentru a rămâne în această limită, echipa Fermilab combină patru tehnologii. Fiecare dintre acestea a fost demonstrat în mod independent că funcționează. Prototipul lor va integra aceste tehnologii brevetate într-un sistem accelerator eficient din punct de vedere energetic.

În primul rând, folosesc cavități SRF de niobiu acoperite cu staniu, care crește temperatura de funcționare a cavității supraconductoare și o plasează în intervalul de funcționare al unui criocooler. . Apoi, ei înglobează sursa de electroni, tunul cu fascicul, direct în cavitate, mai degrabă decât să transporte fasciculul de electroni dintr-o sursă externă printr-o linie de transport. Acest lucru reduce la minimum cantitatea de căldură externă care se poate scurge în sistemul de cavitate supraconductoare. În mod similar, au proiectat cuplajul care transferă puterea de frecvență radio în cavitate pentru a minimiza cantitatea de căldură care poate pătrunde din exterior. În cele din urmă, folosesc răcirea prin conducție în criocooler-ul comercial și aluminiu pentru a conecta criocooler-ul la cavitatea SRF. Împreună, acest sistem va accelera eficient electronii până la energiile necesare pentru producerea de raze X.

Pentru a produce raze X, fasciculul de la acceleratorul de electroni este direcționat către o țintă din tantal, wolfram sau altă țintă grea. element. Materialul încetinește rapid electronii, iar particulele emit raze X ca răspuns, un proces cunoscut sub numele de radiație Bremsstrahlung. Energia razelor X rezultate este egală cu energia pierdută de electroni pe măsură ce aceștia încetinesc.

Pentru a avansa în utilizarea acceleratoarelor de fascicul de electroni pentru sterilizarea dispozitivelor medicale, Fermilab găzduiește un atelier anual de sterilizare a dispozitivelor medicale. . Al cincilea astfel de atelier, desfășurat în perioada 20-21 septembrie 2023 la Fermilab, a reunit peste 200 de părți interesate, în persoană și online. Participanții au venit din Brazilia, Canada, Germania și din Statele Unite. Aceștia au inclus reprezentanți de la marile companii contractuale de sterilizare a dispozitivelor medicale, producători de acceleratoare, producători de dispozitive medicale, medii academice, autorități de reglementare industriale și autorități de reglementare federale.

„Acest atelier reunește mai multe grupuri de părți interesate; părți interesate care nu au adesea oportunitatea să se întâlnească și să discute probleme transversale într-un mediu pre-competitiv. În mod similar, oferă FDA o oportunitate de a se angaja și de a împărtăși informații cu acești părți interesate într-un mod în care nu le înțelegem altfel", a spus Ryan Ortega, un organism de reglementare de la Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente care a luat cuvântul la eveniment.

„Participarea la atelier a fost o experiență foarte benefică și pozitivă pentru mine și pentru colegii mei de la FDA. Primim o cantitate semnificativă de informații utile și implicarea părților interesate de la atelier în fiecare an”, a spus Ortega.

p>

Prin activarea acestui discurs multidisciplinar, organizatorii atelierului urmăresc să faciliteze trecerea de la cobalt-60 care produce oxid de etilenă și raze gamma la tehnologia bazată pe accelerator și să pună bazele pentru comercializarea acestei tehnologii.

„Vrem să valorificăm expertiza Fermilab și puterea tehnologiei fasciculului de electroni pentru a stimula creșterea economică, pentru a stimula dezvoltarea comunității, pentru a satisface nevoile de securitate națională și pentru a crea un mediu de inovare”, a declarat William Pellico de la Fermilab, directorul Centrului de Cercetare Accelerator din Illinois. „Oamenii de știință de la Fermilab care lucrează la această tehnologie de accelerație emergentă sunt încurajați de sprijinul și angajamentul NNSA față de acest demers.”

În timp ce echipa tehnică se concentrează pe punerea în funcțiune a prototipului de accelerator al fasciculului de electroni, o altă componentă al proiectului este de a analiza căile de comercializare.

Unul dintre obstacolele de comercializare care trebuie depășite este capacitatea companiilor mici și mijlocii de a face sterilizare pe bază de accelerator în casă. Companiile caută opțiuni de accelerație rentabile, dimensionate pentru a satisface nevoile lor.

O echipă de oameni de știință și ingineri de la Fermilab construiește un prototip de accelerator compact care poate propulsa electronii la energia de 1,6 milioane de electroni volți și are puterea fasciculului de ieșire de 20 kilowați. Prototipul le va permite să valideze integrarea diferitelor tehnologii pe care le aduc împreună. Este, de asemenea, un pas către aplicații de sterilizare mai mici. Scopul final este un accelerator cu energie de fascicul de 7,5 MeV și putere de fascicul de 200 kW, care ar fi o alternativă validă la instalațiile mari de cobalt-60.

„Prototipul nu este scopul final, dar există companii. care sunt interesați să construiască acest tip de accelerator pentru cazuri de utilizare mici, compacte, de tip final de linie, cum ar fi sterilizarea trusei de sânge”, a spus Kroc. „În timp ce încercăm să facilităm solicitări specifice, această dezvoltare servește și industriei în ansamblu.”

Kroc a subliniat, de asemenea, că aceste aplicații de sterilizare cu radiații cu fascicul accelerator nu se limitează la echipamente medicale. Reprezentanți din industria de bioprocese, care realizează sisteme de unică folosință pentru fabricarea de vaccinuri și produse farmaceutice, au participat la Atelierul de Sterilizare a Dispozitivelor Medicale. Sunt utilizatori ai sterilizării cu raze gamma care caută să treacă la raze X.

Odată ce prototipul de 1,6 MeV este construit și testat, Kroc se așteaptă să organizeze un atelier special pentru companiile și industriile care au potențialul de a fi parteneri de comercializare. „Vom prezenta progresul și rezultatele noastre și vom primi feedback cu privire la satisfacerea cererii lor, ce ajustări ar putea fi necesar să facem, apoi vom încerca să stimulăm și mai mult interesul”, a spus Kroc.

(Fluierul)