[논문]감마선, 전자선에 의한 멸균 비교분석

정경환; 박창희

doi:10.7742/jksr.2020.14.5.537

감마선, 전자선에 의한 멸균 비교분석
Comparative Study of Sterilization by Gamma-ray and Electron-Beam 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.14 no.5, 2020년, pp.537 - 543

초록
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현대사회의 노인 인구는 첨단 의료기술과 최소 침습 수술로 인해 빠르게 성장하고 있다. 따라서 의료기기를 사용하는 경향이 증가하기 때문에 병원성 감염이 우려된다. 따라서 현대 의학의 최우선 목표는 감염예방이다. 최근 3D 프린팅을 이용하여 환자 맞춤형 임플란트 이식술이 늘고 있다. 대표적 재료로 이용되는 것이 수산화인회석이다. 현재 HA 디스크 멸균을 위한 흡수선량 기준이 없으므로, HA 디스크 표면에 오염된 대장균과 충치균을 감마선 코발트와 선형 가속기를 이용하여 각 흡수선량 0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 kGy로 조사 후, 십진 희석법으로 검체에서 균 수를 측정하였다. 멸균 후 대장균, 충치균의 생존 비교분석을 위해 비모수 검정법을 시행하였으며, 그 결과 대장균은 1 kGy 이상, 충치균은 3 kGy 이상에서 멸균되었다. 방사선 멸균 흡수선량 권고사항보다 낮은 수치에서 멸균을 시행하는 것도 가능할 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The elderly population in the modern society is growing rapidly due to advance medical technology and minimally invasive surgery. Therefore, as the tendency to use medical device is increasing, pathogenic infection is a concern. Therefore, the first aim of modern medicine is infection prevention in medical place. Recently, patient implants are increasing using 3D printing. Hydroxyapatite is used as a representative material. And, there haven't had currently absorbed dose standard for sterilization of hydroxyapatite discs. Escherichia coli and Streptococcus mutans contaminated on the surface of hydroxyapatite discs were irradiated at each absorbed dose of 0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 kGy using Gamma-ray of cobalt and Electron-beam of linear accelerator. Then, the number of bacteria was measured in the sample by the decimal dilution method. After sterilization, a non-parametric testing method was performed to compare the survival of Escherichia coli and Streptococcus mutans. As a result, Escherichia coli was sterilized at 1 kGy or more and Streptococcus mutans at 3 kGy or more on absorbed dose. It is considered possible to perform sterilization at a lower value than the recommended absorbed dose of radiation sterilization.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Sem of HA discs; before(a, b) and after(c, d) sintered (left: x1k, right: x5k).
표 Table 1. Comparison of volumes of survived E. coli depending on the absorbed dose of gamma irradiation.
표 Table 2. Test statistic of E. coli depending on the absorbed dose of gamma irradiation.
표 Table 3. Comparison of volumes of survived S. mutans depending on the absorbed dose of gamma irradiation.
표 Table 4. Test statistic of S. mutans depending on the absorbed dose of gamma irradiation.
표 Table 5. Comparison of volumes of survived E. coli depending on the absorbed dose of Electron-beam.
표 Table 6. Test statistic of E. coli depending on the absorbed dose of Electron-beam.
표 Table 7. Comparison of volumes of survived S. mutans depending on the absorbed dose of Electron-beam.
표 Table 8. Test statistic of S. mutans depending on the absorbed dose of Electron-beam.

AI 본문요약
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문제 정의

전리방사선은 온도 상승과 무관하며, 단파장이므로 높은 에너지 조사가 가능하고 다른 멸균법과 비교하여 멸균 안전성이 높다. HA에 관한 연구들은 있지만, 살균 및 멸균에 관한 연구 결과 제시가 부족하므로 제안하고자 한다.^[12,13] 그래서 감마선, 전자선으로 HA 뼈 대체물의 멸균 조건을 제안한다.
국내에서 메디쎄이(Medyssey)가 식약처에서 환자맞춤형 임플란트를 허가받았으며, 서울 신촌 세브란스 병원은 골육종 환자에게 3D 프린트된 엉덩이뼈 임플란트 이식술을 시작하여 식약청에 의해 최근 3D 프린팅 의료기기의 안전관리 방안연구가 시행되었다.^[11] 이 연구는 전리 방사선을 이용하여 HA의 적절한 멸균 조사조건을 검증하고 제시하려고 한다.
[6,15] 각 국가 규정이 다른 방사선 식품조사에서 안전사고뿐만 아니라 예측 불가한 식품 안전성을 보장하기 위해 저흡수선량으로 균의 사멸을 나타내어 식품 안전성을 보장하고자 한다.
본 연구에서는 HA의 감마선, 전자선 멸균 적절한 흡수선량을 제시하여 의료기기 제공에 있어 좀 더 경제적이며, 안전한 흡수선량 수치를 제시하고자 한다.
^[12,13] 그래서 감마선, 전자선으로 HA 뼈 대체물의 멸균 조건을 제안한다. 이 연구는 인공 뼈 대체물로 일반적으로 사용되는 HA 디스크의 멸균 과정에서 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 것이며, HA 디스크 표면에 대장균과 충치균의 오염에 의한 감마선, 전자선의 흡수선량에 따른 멸균 효과를 평가 실험을 통하여 검증하고자 한다.

제안 방법

HA 디스크에 소결 전과 후의 평균 입자 및 소결의 정도를 파악하기 위해 SEM을 하였다. Fig.
전자선 조사는 선형가속기(ELV-10-10S; NIIEFA, Russia)를 이용하였다. RF 에너지원은 클라이스트론이며, 전자선은 에너지 10 MeV, 흡수선량 0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 k㏉가 각 HA 디스크에 조사하였다.
감마선은 코발트(Co-60: MDS Nordion, Canada) 고준위 방사성동위원소 장치를 이용하였고, 반감기 5.27년, 코발트 동위원소에서 1.33 MeV의 감마선을 흡수선량 0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 k㏉로 각 HA 디스크에 조사하였다.
방사선 조사 전후 멸균 여부 확인을 위하여 대장균(E. coli; Escherichia coli)과 충치균(S. mutans; Streptococcus mutans)을 피펫(Pipet)으로 HA 디스크 표면 중앙에 각각 1 ㎕, 직경 약 1 ㎝로 도포시켰으며, 약 30분간 건조한 후 세균이 도포된 HA 디스크를 월플레이트에 6개씩 고정하였다.
본 연구에서는 감마선, 전자선 각각 0, 0.5, 1, 3, 5 k㏉ 저흡수선량 조사 후 대장균과 충치균의 사멸력을 분석하고, 세포 증식의 변화 차이를 알아보았다.
멸균을 위한 방사선원은 한국원자력연구원 첨단 방사선연구소(Jeongeup, Korea)의 코발트 조사기 및 선형가속기를 이용하였다. 선량의 균일도(Dose uniformity ratio)는 조사 선원, 기계장치, 팔레트 형태에 따라 멸균 제품을 적재하면 균일도가 달라지기 때문에 적재를 하지 않고, 각각 감마선, 전자선 방출 면에서 고정된 월플레이트를 단일 방향으로 적재하였다.
연속이며 같은 분포형태를 갖는 두 집단의 독립적인 모집단을 확률표본으로 각각 추출하였다(p<0.01).
전리방사선이 조사된 각 디스크를 생리식염수 1㎖에 희석 후 추정, 확정, 완전시험을 행하고 십진희석법으로 검체 1 ㎖로 대장균 및 충치균을 측정하였다.
출발 원료 HA를 소결 전, 후 입자크기 및 이차상을 알아보기 위해 SEM(Scanning electron microscopy, TM3030; Hitachi, Japan) 및 XRD(X-ray diffraction, X’PertMPD-PRO; Panalytical, UK) 검사를 시행하였다.

대상 데이터

멸균을 위한 방사선원은 한국원자력연구원 첨단 방사선연구소(Jeongeup, Korea)의 코발트 조사기 및 선형가속기를 이용하였다. 선량의 균일도(Dose uniformity ratio)는 조사 선원, 기계장치, 팔레트 형태에 따라 멸균 제품을 적재하면 균일도가 달라지기 때문에 적재를 하지 않고, 각각 감마선, 전자선 방출 면에서 고정된 월플레이트를 단일 방향으로 적재하였다.
수산화인회석(HA, Ca10(PO₄)₆(OH)₂; Junsei, Japan) 원료를 사용하여, 입자크기가 동일하도록 분쇄 및 체가름을 시행하여 얻어진 분말로 총 120분 동안 1250 ℃에서 유지 후, 냉각시켜 HA 디스크 샘플을 제조하였다.
최근 골 질환 환자에게 3D 프린팅 맞춤형 임플란트를 이식하였다. 인공 구조물 재료로 HA를 사용하며, 최근 주목받고 있다.^[14] HA 의료기기를 제공하기 전에 ISO에 따른 감마선 멸균법이 세분되어 있지만, HA는 정확한 흡수선량 수치가 명시되어 있지 않고, 보편적으로 사용되는 흡수선량 25 kGy를 조사하고 있다.

데이터처리

멸균 후 대조군과 멸균된 균의 생존 비교 분석하기 위해 SPSS(Ver. 1.25; IBM, USA) 프로그램을 사용하였다. 통계 방법은 두 모집단간의 중심위치를 비교하기 위해 비모수 검정법에서 맨 휘트니스 윌 콕슨 순위 합 검정법으로 수치화시켰다.
25; IBM, USA) 프로그램을 사용하였다. 통계 방법은 두 모집단간의 중심위치를 비교하기 위해 비모수 검정법에서 맨 휘트니스 윌 콕슨 순위 합 검정법으로 수치화시켰다. 연속이며 같은 분포형태를 갖는 두 집단의 독립적인 모집단을 확률표본으로 각각 추출하였다(p<0.

성능/효과

5 k㏉에서는 완벽한 멸균력을 나타내지 못하였다. 1 k㏉부터 대장균 멸균력이 나타났다. Table 2 비모수 검정 방법에서 0.
감마선, 전자선 0.5 kGy 조사 후 HA 디스크의 대장균 멸균은 각각 0.18, 0.07 %이었으며, 충치균은 0.5 kGy에서 각각 4.73, 3.04 %로 감염 예방으로 부족한 흡수선량이었다. 감마선과 전자선 멸균을 위해서는 흡수선량 대장균 1 k㏉ 초과; 충치균 3 k㏉ 초과에서 99.
04 %로 감염 예방으로 부족한 흡수선량이었다. 감마선과 전자선 멸균을 위해서는 흡수선량 대장균 1 k㏉ 초과; 충치균 3 k㏉ 초과에서 99.9 % 멸균력을 보여주었다. 이는 현재 멸균을 위해 고흡수선량을 권장하는 수치에 비해 상당히 낮은 수치이다.
소결 전과 후의 SEM 결과는 2-3 ㎛의 입자크기를 나타내어 관찰 전의 결과와 차이가 없음을 알 수 있었으며, XRD에서는 TCP와 다른 성분 검출이 나타나지 않았다. 즉, 고준위 전리방사선 조사 전후 HA 물리적 특성 변화가 없었다.

후속연구

그리고 대장균과 충치균의 방사선 감수성 때문에 멸균에 필요한 흡수선량이 달랐다. 세균별 방사선 내성이 다르므로 이는 새로운 유형의 의료기기 멸균을 충족시키기 위해서는 적절한 전리방사선 멸균 흡수선량에 관한 다양한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

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Tatiana Koutchma, Larry Keener, Heidi Kotilainen, "Discordant international regulations of food irradiation are a public health impediment and a barrier to global trade", Global Harmonization Initiative, 2018.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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