Effect of repeated ethylene oxide sterilization on polydimethylsiloxane rubber

Sterilization by Ethylene Oxide (Etox) represents the most employed sterilization procedure for medical and health care devices. Despite its ubiquitous use in the medical device industry, little data have been published on the effect of this sterilization on the mechanical properties of polydimethylsiloxane (PDMS) silicone rubber. The alkylating reaction guarantees the high sterilizing efficiency of this procedure even though certain functional groups in some polymers are known to react as well. Polydimethilsiloxane sterilized by this technique is known to be safe, however the present work aims at determining whether no alterations occur in material properties when this material is exposed to several sterilization cycles instead of a single one. In fact biomedical industries get rid of those materials which a second sterilization cycle is required for. For this purpose samples sterilized one, four and ten times are investigated by different tests in order to detect eventual changes. Experiments deal with both surface and bulk property investigation, in addition indirect cytotoxicity tests are performed as well since the material is intended to implantation in the human body. Statistical analysis is performed aiming at checking whether samples which undergo different Etox exposures can be considered similar (t-test, Mann-Whitney and ANOVA tests are employed). Test outcomes suggest bulk properties are slightly affected by Etox exposure even for massively repeated cycles. Differences in mean values can be seen for UTS, Ultimate Elongation, Storage and Loss Moduli, however these results lack statistical relevance. On the contrary surface properties appear altered since hardness, wettability and swelling tests return statistically significant changes. In fact as Etox exposure increases, surface hydrophobicity decreases (6° difference after 2 minutes) and hardness slightly increases (approximately 1 Shore A difference). Surface inspection by ATR-FTIR fails in recognizing any difference among spectra, so that changes in surface properties cannot be ascribed to alterations in molecular vibrations in material surface. An alternative hypothesis explaining both hardness and hydrophobicity changes is proposed: surface roughness is hypothesized to decrease when the material undergoes sterilization, explaining both hardness and wettability outcomes. Interpretations of swelling results are proposed as well, hypothesizing little hydrolysis or surface erosion while drying the samples. As Tg results not to change when Etox exposure increases, a short reflection about the variation of this parameter is presented. This work demonstrates samples sterilized more than four times should not be employed, whereas for fewer cycles further analyses should be carried out as obtained results often lack complete trustworthiness (because of small sample groups and the questionable method accuracy in certain cases). However the employment of samples sterilized for few times after the first cycle seems reasonable as there is no proof of significant induced changes. Further analyses of surface properties and leaching behavior would enrich the present work and may support the proposed hypotheses.

La sterilizzazione mediante Ossido di Etilene rappresenta la procedura di sterilizzazione più usata per strumenti medici. Nonostante il diffusissimo utilizzo nel campo dell’industria biomedicale, è relativamente scarsa la quantità di informazioni pubblicate riguardo gli effetti di questa sterilizzazione sulle proprietà meccanica degli elastomeri in Polidimetilsilossano (PDMS). La reazione di alchilazione garantisce l’alta efficienza del processo anche se certi gruppi funzionali in alcuni polimeri sono noti reagire similmente. Il Polidimetilsilossano sterilizzato mediante questa procedura è considerato sicuro, tuttavia l’attuale tesi vuole determinare se allo stesso modo non avviene alcuna alterazione il materiale è sottoposto a diversi cicli anziché ad un unico. Infatti le industrie biomedicali si disfano dei materiali e prodotti per cui sarebbe richiesta una seconda sterilizzazione. A tal proposito alcuni campioni sterilizzati una, quattro e dieci volte sono studiati attraverso differenti esperimenti in modo da riconoscere eventuali cambiamenti. Le prove riguardano sia lo studio delle surface properties che delle bulk properties, inoltre dei test di citotossicità indiretta sono eseguiti poiché il materiale è destinato all’impianto nel corpo umano. L’analisi statistica riportata verifica se campioni esposti a quantità diverse di Etox possano essere considerate simili (sono impiegati t-test, Mann-Whitney e ANOVA). I risultati dei test suggeriscono che le bulk properties siano leggermente alterate dopo una notevole esposizione all’Etox. Differenze nei valori medi possono essere viste per UTS, Ultimate Elongation, Storage e Loss Modulus, tuttavia questi risultati mancano di rilevanza statistica. Al contrario le surface properties appaino alterate dal momento che i test di durezza, di bagnabilità e di swelling mostrano risultati statisticamente rilevanti. Infatti all’aumentare dell’esposizione all’Etox, l’idrofobicità superficiale cala (6° di differenza dopo 2 minuti) mentre la durezza aumenta sensibilmente (approssimativamente 1 Shore A di differenza). L’ispezione superficiale mediante ATR-FTIR non riconosce alcuna differenza tra gli spettri, perciò i cambiamenti superficiali negli altri esperimenti non possono essere imputati ad alterazioni nelle vibrazioni molecolari del materiale in superficie. Un’ipotesi alternativa che spiega sia i cambiamenti nella durezza e nell’idrofobicità è quindi proposta: la rugosità superficiale è ipotizzata diminuire quando il materiale viene sterilizzata, spiegando i risultati sia del test di durezza che di bagnabilità. Interpretazioni dei risultati della prova di swelling sono proposte similmente, ipotizzando una leggera idrolisi o l’erosione della superficie mentre il campione viene asciugato. Una maggiore esposizione all’Etox non altera la Tg, tuttavia una breve riflessione riguardo la Tg è presentata. Questa tesi dimostra che i campioni sterilizzati più di quattro volte non dovrebbero essere impiegati, mentre per meno cicli ulteriori analisi dovrebbero essere condotte poiché i risultati ottenuti spesso difettano di completa attendibilità (a causa del limitato numero di campioni e della discutibile accuratezza della procedura usata in alcuni casi). Tuttavia l’impiego di campioni sterilizzati poche volte dopo la prima pare ragionevole poiché non c’è prova di cambiamenti indotti significativi. Ulteriore analisi delle proprietà superficiali e lisciviazione arricchirebbero il lavoro presente a potrebbero confermare le ipotesi proposte.