电子束与X射线辐照对PE/EVOH/PE多层膜自由基生成的多元影响：迈向替代钴-60灭菌的关键一步

本研究针对钴-60伽马灭菌存在的安全与供应链风险，系统评估了电子束与X射线两种非放射性同位素电离能技术在不同剂量、剂量率、温度及气氛环境中对PE/EVOH/PE多层膜（Sartorius Flexsafe® S80）自由基生成的影响。通过实验设计（DoE）、电子自旋共振（ESR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，发现两种技术对自由基浓度无显著差异，但高剂量、低温及低氧环境促进自由基生成，而高氧环境通过清除机制有效抑制自由基。该研究为电子束和X射线作为伽马灭菌的可行替代方案提供了关键数据支持，对保障生物制药产品安全及扩大灭菌产能具有重要意义。

在生物制药行业高速发展的今天，确保药品生产过程中所用耗材的无菌性是关乎患者安全的重中之重。传统的灭菌方法，如环氧乙烷，对一些阻隔性薄膜材料存在兼容性问题，而长期以来作为物理灭菌金标准的伽马辐照，虽然穿透力强、效果可靠，但其依赖的钴-60放射源却面临着安全、供应链稳定以及灭菌能力饱和等多重挑战。这使得寻找可靠的非放射性同位素替代技术，如电子束（E-beam）和X射线，成为行业迫切的需求。然而，这些新兴技术在生物制药产品材料上的兼容性数据尚不充分，特别是它们与材料相互作用后引发的化学变化，尤其是自由基的生成行为，直接关系到材料长期使用的机械性能、化学稳定性和外观完整性，是阻碍其广泛应用的关键瓶颈之一。

为了填补这一知识空白，一项发表在《Radiation Physics and Chemistry》上的研究，由Blanche Krieguer、Sylvain R.A. Marque、Samuel Dorey、Fabien Girard、Yelin Ni、Leonard S. Fifield、Nicolas Ludwig和Nathalie Dupuy共同完成，对广泛应用于一次性生物工艺袋的Sartorius Flexsafe® S80多层聚合物薄膜（结构为聚乙烯PE/乙烯-乙烯醇共聚物EVOH/PE）进行了深入探究。研究人员系统性地比较了电子束和X射线在不同辐照条件下，材料中自由基的产生规律，旨在为这些替代灭菌技术的可靠应用提供科学依据。

研究人员采用了多种关键技术方法展开研究。核心是运用实验设计（DoE）方法，构建了三个不同的实验框架，分别用于比较电子束和X射线在相同剂量率下的效应、单独研究X射线效应以及单独研究电子束效应。研究所用的S80薄膜由Sartorius提供，并在Aerial-CRT的feerix®设施中使用10 MeV电子束或7 MeV X射线进行辐照。关键检测技术包括利用电子自旋共振（ESR）在辐照后24小时定量检测薄膜中产生的未成对电子（自由基）浓度，以及使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合主成分分析（PCA）来探测材料，特别是PE层的化学结构变化，如氧化现象。实验过程中，对样品的初始温度、周围气氛（氧气浓度）以及吸收剂量和剂量率都进行了精确控制与测量。

3.1. PE/EVOH/PE多层膜经电子束和X射线辐照

通过基于48个自由基浓度值的多元线性回归（MLR）模型分析发现，电离能技术（电子束 vs. X射线）本身对多层膜中未成对电子浓度水平没有显著影响。相反，吸收剂量、样品温度和周围气氛中的氧气百分比是显著影响因素。更高的剂量和更低的温度与更高的自由基浓度相关，而更高的氧含量则有效抑制了自由基的检测。此外，温度与剂量、温度与氧含量以及剂量与氧含量之间存在显著的交互作用。

3.2. PE/EVOH/PE多层膜经X射线辐照

对63个X射线辐照样品的分析表明，剂量率对自由基浓度没有显著影响，而剂量、氧含量和温度仍然是关键因素。交互作用分析结果与综合模型基本一致，但额外发现了温度与剂量率之间存在特定于X射线模型的交互作用。

3.3. PE/EVOH/PE多层膜经电子束辐照

对63个电子束辐照样品的分析模型拟合度稍低，但揭示了不同的规律：氧含量在本次分析中影响不显著，而剂量率则显示出显著影响，较高的电子束剂量率导致自由基浓度降低。所有考察的因子间的交互作用均具有统计学意义。这表明电子束辐照下自由基的生成动力学与X射线存在差异，可能与电子束的高剂量率导致自由基快速复合有关。

在讨论部分，研究通过等高线图直观展示了各因素对自由基浓度的联合影响。在低温和缺氧环境下施加高剂量，会最大程度地促进自由基生成。这归因于低温下分子运动减缓抑制了自由基的淬灭，而无氧环境则避免了氧对自由基的清除作用。对于电子束辐照，高剂量率的影响尤为明显，几乎观察不到自由基积累，推测是由于自由基的瞬时高浓度促进了复合反应。FTIR和PCA分析结果提供了化学结构变化的佐证。辐照后，在约1716 cm^-1处与羰基（C=O）伸缩振动相关的吸收峰强度增加，表明PE层发生了氧化。PCA进一步将高剂量、高氧含量和高温度的处理条件归为一类，这些条件共同导致了最显著的氧化变化，印证了ESR关于氧含量抑制自由基但可能促进长期氧化反应的发现。

研究结论明确指出，在相同的平均剂量率（0.12 kGy/s）下，电子束和X射线在S80多层膜中产生的自由基浓度相似，这支持了电离辐射与凝聚态物质相互作用存在标准化的假设。处理条件，特别是剂量、温度和氧气浓度，对材料的化学结构和自由基生成具有决定性影响。较高的温度和氧气浓度能有效降低可检测的自由基浓度，但高氧环境结合高剂量和高温也可能导致聚合物更明显的氧化。这些发现有力地表明，电子束和X射线技术可以作为伽马辐照的可行替代方案，为解决当前灭菌领域面临的供应链和产能挑战提供了重要的科学和技术支撑，有望推动生物制药行业朝着更安全、更可持续的方向发展。