방사선 조사 과정에서 조사선량 및 그 선량률에 따른 Biological Indicator의 사멸 효과 비교

방사선 조사 과정에서 조사선량 및 그 선량률에 따른 Biological Indicator의 사멸 효과 비교

최현우 , 홍준규, 엄용운, 이후철, 김상철, 김관수 그린피아기술 (주)

hwchoi@greenpiatech.com

재료 및 방법

 방사선 조사는 멸균을 위해 꼭 필요한 과정이지만, 직접적인 Biological Indicator 요구는 없다. 이는 방사 선 멸균 규격에서 방사선량과 미생물 사멸에 대한 충분한 연구가 이뤄졌다고 보기 때문이다. 하지만 Biological Indicator는 밸리데이션 시험 및 일상관리 확인 지표로서 다른 멸균법에서 다양하게 이용되고 있음을 고려해야 한다. 따라서 방사선 멸균 조건에 Biological Indicator를 활용한다면, 사멸 정도를 확인 하는 데이터로 사용이 가능할 것으로 기대할 수 있다.

 방사선 멸균의 경우, 현행 규격상 방사선조사량(kGy)만을 사용하고 있기 때문에 방사선량률(kGy/h)에 따른 미생물 사멸 효과가 다를 수 있음을 놓치게 된다. 따라서 미생물 사멸 정도가 방사선량에 따라 다 름을 연구를 통해 확인하고자 한다.

 본 연구는 멸균 작업 시 일반적으로 사용되는 Biological Indicator를 활용하여 방사선 조사 전후 남아있 는 미생물의 수를 비교했다. 각 조사 조건(조사선량, 선량률)에 따른 미생물 사멸 효과를 확인하며, 그 결과를 감마선과 전자선의 경우로 나눠 제시하고자 한다.

 연구 결과 선량률에 따른 Biological Indicator의 사멸 효과는 유의적인 차이를 보이지 않았으며, 조사선 량만이 미생물 사멸에 영향을 끼치는 점을 확인하였다. 추가로 조사선원의 차이에 관계없이 동일한 결 과를 나타냈기 때문에, 조사선원이나 선량률과는 관계없이 선량만이 미생물 사멸 효과에 영향을 주는 요소임을 확인할 수 있었다.

 현재 방사선 멸균은 특정 방사선량 조사량에 따른 미생물의 사멸 효과를 제시하기 위해 다양한 로그스 케일 시험용 필터(일반적으로 10¹~10⁷ Colony Forming Unit(CFU)의 균수)를 사용한다. 그러나 실제 멸균 환경에서는 제품에 조사된 방사선의 총량으로 멸균을 평가하고 있지만, 어느 정도의 강도로 방사선에 조사되었는지는 확인하기 어렵다.

 선행된 많은 연구가 방사선량과 미생물 사멸효과에만 초점을 맞추고 있으며, 방사선량률과 미생물 사 멸효과에 대해서는 연구가 상대적으로 부족하다. 특히 방사선량률은 제품에도 영향을 줄 수 있는 요소 이기 때문에, 멸균 제품 제조자가 필요한 경우 검토해야 한다. 따라서 제조자가 제조 시 참고할 수 있도 록 방사선량률과 미생물 사멸효과와의 관계 확립이 필요하다.

 가스멸균 (산화에틸렌) 에서는 Biological Indicator(10⁶ CFU 이상)를 통해 방사선멸균과 같은 멸균보증수 준을 확인하며, 방사선멸균 시험에서도 동일한 수준의 Biological Indicator를 사용하여 특정 조사선량 및 조사선량률에 따라 미생물이 사멸하는 정도를 확인할 수 있을 것으로 예측할 수 있다.

 균수 10⁶CFU의 Biological Indicator를 이용하여 조사선량에 맞는 방사선을 Biological Indicator에 조사한 다. 각 선량별로 방사선 조사된 Biological Indicator의 균수가 얼마나 사멸되었는지 확인하기 위해 제조 검수기준과 같은 시험을 진행하여 방사선량률의 영향을 확인할 수 있을 것이다.

1. 방사선 조사기(Irradiators)

 감마선 : 산업용 감마선조사기 (JS-8900, ⁶⁰Co, 그린피아기술㈜)를 사용한다.

 전자선 : 산업용 전자선가속기(TT-200, 10MeV, 그린피아기술㈜)를 사용한다.

2. 선량측정시스템(Dosimetry system)

 한국원자력연구원을 통해서 선량계 B3 DoseStix Dosimeter(GEX Corporation)는 교정(calibration)이 완료 되었으며, 동일한 환경아래 측정이 진행되었다. Spectrophotometer UV Mini-1240 (Shimadzu) 측정장비 는 국가 교정기관에서 교정된 장비를 사용하였다.

3. 생물학적 표시기(Biological Indicator)

 아포를 사용하여 멸균의 확실성을 감시하는 것을 대상으로 하는 멸균법의 표시기이다.

 Etigam BV 회사에서 공급된 방사선 멸균용 표시기를 사용하였다. 균종은 Bacillus pumilus, D-Value 는 1.6 kGy, 개체수(population)는 2.4 x 106 CFU/unit 이다.

4. 회수액 및 배지

 계면활성제의 일종인 Tween 80용액을 사용하여 균을 최대한 회수하며, 균종에 따라 호기성 박테리아 배양 배지인 Tryptic Soy Agar(TSA)를 사용하였다.

5. 연구방법

5.1 방사선 조사(Irradiation)

 사전 시험으로 고선량률 공정으로 조사를 진행하여 실제 조사된 선량을 확인한다. 선량계 측정을 통해 흡수선량을 확인하며, 확인된 흡수선량을 조사선량으로 설정한다.

 감마선 조사의 경우 사전시험에서 설정된 조사선량으로 고선량률 공정과 저선량률 공정을 이용하여 Biological Indicator를 조사하며, 선량률은 흡수선량 측정 후 계산을 통해 확인한다.

 전자선 조사의 경우 조사 공정은 전류를 1 mA, 2 mA, 3 mA, 4 mA로 설정하여 출력을 조절하면서 조사시 간을 조절하여 감마선 조사와 동일 선량이 Biological Indicator에 조사되도록 하며, 선량률은 흡수선량 측정 후 계산을 통해 확인한다.

5.2 선량계 측정(Dosimeter measurement)

 분광광도계를 사용해 흡광도를 측정하여 흡수선량값을 확인한다.

5.3 미생물 시험(Microbial test)

 시험 방법은 대한약전 및 ISO 11737-1 일반세균 시험법을 따라 진행한다.

 시험 전 전처리 공정을 모두 동일하게 설정하기 위해 확인시험한다. 초음파는 오래 진행할 경우 균을 사멸시킬 수 있기 때문에 다섯 단계로 나누어 영향을 확인한다.

 시험방법 적절성 확인이 된 이후 제조자가 제조한 Biological Indicator가 보증하는 내용이 실제 시험 결 과와 같은지 검증한다.

 조사선량에 맞게 감마선으로 조사된 Biological Indicator를 시험방법 적절성이 확인된 방법으로 시험하 여 남아있는 균수를 확인한다.

 조사선량에 맞게 전자선으로 조사된 Biological Indicator를 시험방법 적절성이 확인된 방법으로 시험하 여 남아있는 균수를 확인한다.

 이 연구는 일반적으로 사용되는 방사선 멸균의 파라미터인 흡수선량이 아닌 선량률에 대한 멸균 효과 를 확인하고자 하였다.

 흡수선량 5.25 kGy 기준 4.98 kGy ∼ 5.51 kGy 이내의 경우 같은 선량조사가 되었다고 판단하고 있으며, 감마선 조사된 Biological indicator의 흡수선량 시험결과 모두 위 선량 기준을 만족하여, 모든 시험이 동 일 선량으로 조사되었다고 판단한다.

 감마선 조사 공정의 경우 4.99 kGy, 5.20kGy의 흡수선량이 확인되었으며, 각각 1.39 × 10² CFU / EA , 7.9

× 10CFU / EA로 생존 미생물이 거의 동일한 수준으로 확인되었다. 이 결과는 전자선 공정 결과를 참고 하였을 때 선량률보다는 조사선량 차이에 의한 것이라 판단된다.

 전자선 조사의 경우 모든 시료가 5.35 kGy 의 흡수선량이 확인되었으며, 각 시험별로 생존 미생물이 5.4

× 10CFU / EA ∼ 8.0 × 10 CFU / EA 사이로 분포하여 선량률 변화에 따라서 미생물 사멸 효과의 차이가 없는 것으로 확인되었다.

1. ISO11137-1:2006, Sterilization of health care products – Radiation – Part 1: Requirements for development, validation and routine control of a sterilization process for medical devices.

2. ISO11138-1:2017, Sterilization of health care products – Biological indicators – Part 1: General requirements.

3. Alan Tallentire, Arne Miller and Jakob Helt-Hansen, “A comparison of the microbicidal effectiveness of

gamma rays and high and low energy electron radiations”, Radiation Physics and Chemistry, Volume 79, Issue 6, June 2010, pp 701-704

B

그림 1. 선량률에 따른 미생물시험 결과(대조군 포함) 그림 2. 선량률에 따른 미생물시험 결과(대조군 제외)

1. 시험방법 적절성 확인 시험 결과

 제조자가 보증한 2.40 × 10⁶CFU / EA과 비교하여 각 조건별로 5분 처리 시 약 114%, 10분 처리 시 약 194%, 15분 처리 시 약 159%, 20분 처리 시 약 151%, 30분 처리 시 약 149%의 값을 나타내었고, 이는 ISO 11138-1 6.3 시험 균주의 개체수 항목에서 요구하는 제조자가 보증한 내용의 50 % ∼ 300 %를 만족한다.

 다섯 가지 초음파 처리 조건 모두 적절한 초음파 처리 시간이나, 그 중 미생물 사멸 영향이 가장 적을 것 이라 판단되는 5분 처리 조건으로 설정하고 이후 모든 시험을 5분 초음파 처리하는 조건으로 진행하였 다.

2. 대조군 확인 시험

 조사되지 않은 10개의 Biological Indicator로 시험을 진행하였고, 시험 결과 평균 2.50 × 10⁶ CFU / EA의 값 을 나타냈으며, 이는 제조자가 보증한 2.40 × 10⁶ CFU / EA와 비교하여 104 % 수준이므로 50 % ∼ 300 % 이내임을 만족하며, 사용된 Biological Indicator가 적절함을 확인하였다.

3. 방사선 조사 결과

 사전 시험 결과 고선량률 공정으로 5.25 kGy가 조사되었으며, 조사선량을 5.25 kGy 로 설정하였다.

3.1 감마선 조사 결과

 각 10개의 Biological Indicator에 두 가지 감마선 조사공정을 진행하고 흡수선량과 선량률을 확인하였다.

 감마선 1공정 결과값은 4.99 kGy(0.78 kGy / h)이며, 감마선 2공정 결과값은 5.20 kGy(3.25 kGy / h)이다.

3.2 전자선 조사 결과

 각 10개의 Biological Indicator에 네 가지 전자선 조사공정을 진행하고 흡수선량과 선량률을 확인하였다.

 전자선 공정 결과값은 모두 5.35 kGy로 동일하였으며, 선량률이 다르게 처리되었다.

 전자선 1공정 : 875.45 kGy / h, 전자선 2공정 : 1,750.90 kGy / h 전자선 3공정 : 2,407.50 kGy / h, 전자선 4공정 3,852.00 kGy / h

4. 미생물 시험 결과

 시험 결과를 표1 시험 결과 요약표와 표2 미생물 시험 결과 및 그림 1, 그림 2에 나타내었다.

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

0 2 4 6 8 10 12

CFU / EA

각 시험별 Biological Indicator

선량률에 따른 미생물시험 결과(대조군 포함)

대조군

감마선 1공정 (0.78 kGy / h) 감마선 2공정 (3.25 kGy / h) 전자선 1공정 (875.45 kGy / h) 전자선 2공정 (1750.90 kGy / h) 전자선 3공정 (2407.50 kGy / h) 전자선 4공정

(3852.00 kGy / h) 0 50 100 150 200 250

0 2 4 6 8 10 12

CFU / EA

각 시험별 Biological Indicator

선량률에 따른 미생물시험 결과(대조군 제외)

감마선 1공정 (0.78 kGy / h) 감마선 2공정 (3.25 kGy / h) 전자선 1공정 (875.45 kGy / h) 전자선 2공정 (1750.90 kGy / h) 전자선 3공정 (2407.50 kGy / h) 전자선 4공정 (3852.00 kGy / h)

단위 : CFU / EA

시험구분 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 평균

대조군(비조사) 3.30 × 10⁶ 3.20 × 10⁶ 2.75 × 10⁶ 2.30 × 10⁶ 4.00 × 10⁶ 1.30 × 10⁶ 2.40 × 10⁶ 2.10 × 10⁶ 2.20 × 10⁶ 1.50 × 10⁶ 2.50 × 10⁶

감마선1공정

(0.78 kGy / h) 1.10 × 10² 1.40 × 10² 1.00 × 10² 1.60 × 10² 2.00 × 10² 1.50 × 10² 1.50 × 10² 1.50 × 10² 6.0 × 10 1.70 × 10² 1.39 × 10²

감마선2공정

(3.25 kGy / h) 1.10 × 10² 5.0 × 10 9.0 × 10 8.0 × 10 9.0 × 10 5.0 × 10 1.00 × 10² 8.0 × 10 8.0 × 10 6.0 × 10 7.9 × 10

전자선1공정

(875.45 kGy / h) 8.0 × 10 6.0 × 10 6.0 × 10 1.00 × 10² 7.0 × 10 5.0 × 10 5.0 × 10 3.0 × 10 6.0 × 10 7.0 × 10 6.3 × 10

전자선2공정

(1750.90 kGy / h) 1.10 × 10² 5.0 × 10 5.0 × 10 3.0 × 10 5.0 × 10 9.0 × 10 3.0 × 10 3.0 × 10 4.0 × 10 6.0 × 10 5.4 × 10

전자선3공정

(2407.50 kGy / h) 5.0 × 10 8.0 × 10 1.40 × 10² 9.0 × 10 8.0 × 10 5.0 × 10 5.0 × 10 9.0 × 10 8.0 × 10 9.0 × 10 8.0 × 10

전자선4공정

(3852.00 kGy / h) 7.0 × 10 7.0 × 10 4.0 × 10 9.0 × 10 6.0 × 10 3.0 × 10 5.0 × 10 6.0 × 10 3.0 × 10 7.0 × 10 8.0 × 10 표1. 시험 결과 요약표

단위 : CFU / EA

시험구분 대조군 감마선1공정

(0.78 kGy / h)

감마선2공정 (3.25 kGy / h)

전자선1공정 (875.45 kGy / h)

전자선2공정 (1750.90 kGy / h)

전자선3공정 (2407.50 kGy / h)

전자선4공정 (3852.00 kGy / h) 미생물시험

결과 평균

2.50 × 10

1.39 × 10

7.9 × 10 6.3 × 10 5.4 × 10 8.0 × 10 8.0 × 10

표2. 미생물 시험 결과