В Институте ядерной физики придумали, как бороться с инфекцией при помощи пучка электронов

Слово «радиация» обычно вызывает у нас настороженную реакцию. Сразу возникают ассоциации с атомными бомбами и опасными для человека приборами ВПК (Военно-промышленный комплекс). Но радиация постоянно сопровождает всю нашу жизнь, причем большая часть ее проявлений не несет никакого вреда для человека.

Напротив, с помощью малых доз излучения люди научились просвечивать объекты в целях безопасности, делать рентгеновские или томографические снимки и даже лечить онкологические заболевания.
В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН «бомбардировку» ускоренными электронами используют в разных целях, в том числе — для стерилизации медицинских инструментов.

Известно, что с помощью потока ускоренных электронов можно вызывать различные химические реакции в веществах, тем самым придавая материалу нужные свойства. При этом — без всякой остаточной радиации и, соответственно, без всякого вреда для человека. Сегодня при помощи электронно-лучевых ускорителей во всем мире производят целый спектр различных промышленных операций, включая нейтрализацию/ отходов вредных производств, обработку самых разных материалов — от медицинских инструментов до продуктов питания.

Одна из сравнительно новых сфер применения этой технологии — стерилизация и пастеризация, то есть разрушение ДНК патогенных для человека микроорганизмов. При стерилизации с использованием ускорителя электронов используют разогнанные до световых скоростей частицы с энергией от 2,5 до 10,0 МэВ и мощностью от 1,0 до 100 кВт. В отличие от всех остальных видов стерилизации этот метод обладает достаточной проникающей способностью, позволяя обрабатывать изделия, не вынимая их из закрытых коробок и тем более из индивидуальных упаковок.

Это производит особенно сильное впечатление, поскольку при обеспечении стерильности продукции на уровне 10 -6, то есть менее одной колонии микроорганизмов на миллион изделий, помещение бункера может быть сколь угодно пыльным, что никак не влияет на процесс.

— Взаимодействие пучка электронов с микробиологическими объектами происходит двумя путями, — рассказывает заведующий лабораторией ИЯФ кандидат технических наук Александр Брязгин. — В первом случае излучение непосредственно ионизирует атомы цепочек ДНК, а во втором оно образует свободные радикалы, повреждающие клетки микробов.

История радиационной стерилизации началась в конце XIX века, после открытия Вильгельмом Рентгеном гамма-излучения и его способности уничтожать бактерии. Еще через полвека, в 1948 году, результаты экспериментов по обработке 22 видов бактерий ионизирующим излучением весьма заинтересовали производителей медицинских изделий. В те времена ускорители электронов, которые использовались для стерилизации, фактически представляли собой лабораторные установки, имели невысокую энергию электронов и небольшую мощность. Промышленные ускорители появились в начале 70-х годов: за рубежом их делали компании Varian Associates, RDI и IBA, а в СССР — НИИ электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова в Ленинграде и Институт ядерной физики в Новосибирске.

Наибольшую популярность технология радиационного обеззараживания получила с появлением на рынке одноразовых расходных материалов — шприцев, капельниц, комплектов хирургической одежды, пробирок, систем очистки крови, имплантатов и других медицинских изделий. В Европе и США пастеризация продуктов питания уже много лет производится без термической обработки, при которой разрушается большая часть витаминов и микроэлементов, а с помощью облучения, уничтожающего бактерии и прочую опасную «живность», но оставляющего ценные вещества в полной сохранности. В России использование облучения пока разрешено только в целях стерилизации — пищевую продукцию по старинке обрабатывают нагреванием.

Первые одноразовые шприцы и капельницы в нашей стране появились в начале 90-х. Обрабатывать их паром было нельзя: при высоких температурах пластик плавится. Поэтому, как и во многих странах, их стерилизовали этиленоксидом с последующей аэрацией изделий — обработанные газом изделия «проветривали» в кондиционированном помещении в течение нескольких суток для удаления остатков ядовитого газа. В некоторых странах, в частности в Корее и Китае, эта технология используется и сегодня, несмотря на очень высокую токсичность производства, трудоемкость, дороговизну и большой вред экологии. Но страны с высоким уровнем развития экономики уже отказались от метода стерилизации газом. В настоящее время радиационное обеззараживание применяется на большинстве европейских и американских предприятий.

Много лет лидером в производстве электронно-лучевых ускорителей в России является Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, где они традиционно изготавливались как источники электронов для дальнейшей работы с этими частицами на коллайдерах. Исследования в институте не прекращались даже в самые тяжелые для науки времена и активно ведутся в наши дни.

Одновременно с работами на Большом адронном коллайдере в Центре ядерных исследований в Женеве ИЯФ СО РАН занимался изготовлением и поставками электронных ускорителей по заказу крупных производств. В последние годы предприятия приобретают здесь такое оборудование под ключ, то есть в комплексе с защитными бункерами, конвейерной системой подачи продукции к месту облучения и далее.
Несколько десятков ускорителей ИЛУ производства ИЯФ СО РАН сегодня успешно работают в России и за рубежом. А для удовлетворения потребностей мелких промышленных компаний Западно-Сибирского региона институт изготовил собственную установку, на которой массово выполняются заказы этих организаций.

С одной стороны, столь бурная хозяйственная деятельность может показаться не совсем профильной для крупнейшего научного физического института, где ведутся фундаментальные исследования на мировом уровне. Но кто-то ведь должен был положить начало этому процессу и показать бизнесу пример успешной организации предприятия, имея в распоряжении только автоматически управляемый ускоритель и двух профессиональных технологов.

После того как ИЯФ СО РАН взял на себя стерилизацию продукции — важнейшую часть цикла производственных работ, — в Сибирском регионе стали появляться десятки предприятий, которым было не по карману приобретение дорогостоящего оборудования: «Здравмедтех», «Индикон», «Стоун Форд», «Эклипс», «Золотое сечение», «Медиген» и многие другие. Они начали выпускать медицинские одноразовые изделия и одежду, очень быстро вытеснив китайскую продукцию с местного рынка.
Возможно, в масштабах всей России это довольно скромный показатель развития экономики, ведь основная часть расходных медицинских материалов по-прежнему закупается в Китае. Но практика запуска таких установок в Сибирском регионе показала достаточно высокую рентабельность организации центров стерилизации. Производительность одного такого центра может составлять до 10 тонн в час, в зависимости от модификации ускорителя, необходимой стерилизующей дозы и вида обрабатываемой продукции.
В России ежегодно стерилизуют медицинские изделия на сумму более 1,5 миллиарда рублей, а с 2007 года ассортимент этой продукции растет примерно на 50 процентов в год. Рынок одноразовых медицинских изделий продолжает активно развиваться, и вместе с тем все острее встает проблема со стерилизацией инструментов и материалов. В частности, в Новосибирске и Алтайском крае около 30 тонн различной продукции в месяц до сих пор обеззараживают в лабораторных условиях.
Дальнейшее развитие рынка сдерживает отсутствие специализированных центров стерилизации. В каждом регионе нужен хотя бы один такой центр. Текущие потребности Западной Сибири в этих услугах оцениваются примерно в 200 тонн медицинских изделий в месяц, а прогнозируемый рост составляет до 500 тонн в месяц. На Урале рынок услуг по радиационной стерилизации составляет в месяц около тысячи тонн, а в Московском регионе — до десяти тысяч.

В этом году ИЯФ СОРАН изготовит радиационно-стерилизационные комплексы для парка ядерных технологий в городе Курчатове (Казахстан), Федерального медицинского биофизического центра им. А. И. Бурназяна в Москве и Сибирского центра фармакологии и биотехнологий в Новосибирске.