Sterilizzazione a ossido di etilene: come funziona, limiti e alternative

La sterilizzazione a ossido di etilene (EtO) è da decenni uno dei metodi più diffusi per trattare dispositivi medici e componenti che non tollerano il calore del vapore saturo. Secondo i dati diffusi dalla FDA nel 2024, circa la metà dei dispositivi medici che richiedono sterilizzazione negli Stati Uniti viene trattata con EtO. Eppure l’ossido di etilene è un gas tossico, infiammabile e classificato come cancerogeno, soggetto a rigorosi requisiti su emissioni, esposizione dei lavoratori e residui sul prodotto, con un quadro normativo in continua evoluzione.

In questo articolo vediamo come funziona un ciclo di sterilizzazione con ossido di etilene, quali sono i suoi limiti reali e quali tecnologie a bassa temperatura, a partire dal perossido di idrogeno vaporizzato (vH₂O₂), possono sostituirlo in tutto o in parte.

Che cos’è la sterilizzazione a ossido di etilene (EtO)

L’ossido di etilene (C₂H₄O) è un gas incolore a temperatura ambiente, altamente reattivo, appartenente alla famiglia degli epossidi. La sua azione sterilizzante si basa sull’alchilazione: la molecola reagisce con i gruppi amminici, carbossilici, sulfidrilici e ossidrilici di proteine e acidi nucleici, bloccando il metabolismo e la replicazione dei microrganismi, spore batteriche comprese.

Il vantaggio principale dell’EtO è la combinazione di bassa temperatura (in genere tra 37 e 63 °C) ed elevata capacità di penetrazione: il gas attraversa imballaggi porosi, film plastici permeabili e geometrie complesse come lumi lunghi e stretti. Per questo l’ossido di etilene per sterilizzazione si è imposto su cateteri, set infusionali, kit chirurgici, dispositivi in materiali polimerici e prodotti già confezionati nell’imballaggio finale.

Per ridurre il rischio di infiammabilità (il gas forma miscele esplosive con l’aria in un intervallo molto ampio) molti impianti utilizzano miscele di EtO e CO₂, con concentrazioni tipiche del 10% di ossido di etilene e 90% di anidride carbonica, oppure EtO puro in camere progettate per operare sotto vuoto e in atmosfera inertizzata con azoto.

Come funziona il ciclo di sterilizzazione a EtO

Un ciclo di sterilizzazione con ossido di etilene è regolato dalla norma ISO 11135 e si articola in fasi ben definite:

1. 1. Precondizionamento. Il carico viene portato a temperatura e umidità controllate, spesso in una cella dedicata, per ore o anche un giorno intero. Un’umidità controllata favorisce l’efficacia microbiologica del processo.
2. 2. Vuoto iniziale e test di tenuta. La camera viene evacuata per rimuovere l’aria e permettere al gas di penetrare nel carico.
3. 3. Condizionamento. Si inietta vapore fino a raggiungere un’umidità relativa tipicamente compresa tra 40% e 80%.
4. 4. Iniezione del gas ed esposizione. L’EtO viene introdotto fino alla concentrazione prevista (valori indicativi tra 450 e 1.200 mg/L, da definire in convalida) e mantenuto per il tempo di esposizione validato, di solito da una a sei ore.
5. 5. Evacuazione e lavaggi. Il gas viene rimosso con una serie di vuoti alternati a iniezioni di aria filtrata o azoto, e inviato a un sistema di abbattimento (catalitico o a scrubber).
6. 6. Aerazione. Il carico sosta in camera o in apposite celle riscaldate finché i residui di EtO e dei suoi sottoprodotti non scendono sotto i limiti ammessi.

Tra i principali parametri di processo da controllare e registrare figurano concentrazione del gas, temperatura, umidità relativa, pressione e tempo di esposizione. Il monitoraggio di routine si affida a indicatori biologici con spore di Bacillus atrophaeus e a un indicatore per ossido di etilene di tipo chimico (ISO 11140-1), che vira colore in presenza del gas: il viraggio conferma l’esposizione al processo, non la sterilità del prodotto. Per i dispositivi medici il rilascio parametrico è possibile solo se il processo è convalidato secondo requisiti specifici (ISO 11135 e ISO/TS 21387), mentre in ambito farmaceutico l’Annex 1 richiede indicatori biologici a ogni ciclo. L’obiettivo, come per ogni processo di sterilizzazione terminale, è un Sterility Assurance Level (SAL) di 10⁻⁶.

Impianti di sterilizzazione a ossido di etilene per uso industriale, come la serie DLOG di De Lama, integrano camera, sistemi di dosaggio del gas, controllo dell’umidità e abbattimento delle emissioni in un’unica architettura progettata secondo cGMP.

I limiti dell’ossido di etilene

La versatilità dell’EtO ha un prezzo. I limiti riguardano la sicurezza delle persone, il rispetto delle norme e la produttività dell’impianto.

Tossicità, limiti di residuo e vincoli normativi (ISO 11135, EU GMP Annex 1)

Perché l’ossido di etilene è cancerogeno? La stessa capacità di alchilare il DNA che lo rende efficace contro i microrganismi lo rende genotossico per l’uomo. L’IARC lo classifica nel Gruppo 1 (cancerogeno certo per l’uomo) e il regolamento europeo CLP lo classifica come cancerogeno e mutageno di categoria 1B. Nell’Unione Europea il valore limite di esposizione professionale è di 1 ppm (1,8 mg/m³) su 8 ore, e in Italia l’uso ricade nel Titolo IX del D.Lgs. 81/2008 sugli agenti cancerogeni.

Sul fronte del prodotto, i residui di EtO e di etilencloridrina (ECH) devono rispettare la ISO 10993-7, la cui terza edizione (aprile 2026) aggiorna la derivazione dei limiti ammissibili e le condizioni di estrazione in funzione della popolazione di pazienti e della durata d’uso, e ammette la valutazione del rischio per stabilire limiti specifici per il dispositivo.

Nel farmaceutico, l’EU GMP Annex 1 privilegia la sterilizzazione terminale con calore e indica che la sterilizzazione con ossido di etilene va utilizzata solo quando non è praticabile un altro metodo, chiedendo di dimostrare l’assenza di effetti dannosi sul prodotto e un’adeguata rimozione dei residui. Sul fronte ambientale, le emissioni degli sterilizzatori a EtO sono soggette a rigorosi requisiti di controllo, con un quadro normativo ancora in evoluzione, anche negli Stati Uniti.

Tempi di ciclo, aerazione e impatto sulla produttività

Un ciclo a ossido di etilene, sommando precondizionamento, esposizione e aerazione, può richiedere, a seconda del carico e dell’impianto, da meno di un giorno fino a diversi giorni prima che il lotto sia rilasciabile. A questo si aggiungono la gestione delle bombole o dei serbatoi di gas, i sistemi di abbattimento, i monitoraggi ambientali e le analisi dei residui. Per molte aziende il risultato è un collo di bottiglia logistico e, spesso, la dipendenza da centri di sterilizzazione esterni.

Le alternative all’EtO per la sterilizzazione a bassa temperatura

Quali sono le alternative all’ossido di etilene? Nessuna tecnologia è un sostituto universale, ma due famiglie coprono gran parte delle applicazioni: il perossido di idrogeno vaporizzato e le radiazioni ionizzanti.

Perossido di idrogeno vaporizzato (vH₂O₂)

La sterilizzazione a perossido di idrogeno vaporizzato opera a temperature comprese indicativamente tra 25 e 55 °C. Il vH₂O₂ agisce per ossidazione di proteine, lipidi e acidi nucleici e, al termine del ciclo, si decompone in acqua e ossigeno. Non lascia residui di EtO o ECH e la rimozione dello sterilizzante avviene all’interno del ciclo, senza celle di aerazione esterne; l’assenza di perossido residuo sul prodotto viene comunque verificata in convalida. I cicli si misurano in ore, non in giorni.

L’8 gennaio 2024 la FDA ha riconosciuto il vH₂O₂ come metodo di sterilizzazione consolidato di Categoria A, allo stesso livello di vapore, calore secco, EtO e radiazioni. È stato un passaggio chiave per le aziende di dispositivi medici che vogliono ridurre la dipendenza dall’ossido di etilene.

Il limite storico del perossido di idrogeno riguarda la penetrazione in carichi densi, lumi e imballaggi multipli. È qui che fa la differenza il vuoto spinto: la tecnologia brevettata HyPerPure® sotto vuoto spinto di De Lama, per esempio, è in grado di sterilizzare attraverso almeno 4 strati di Tyvek®, rendendo possibile il trattamento di prodotti confezionati nell’imballaggio finale. Con HyPerPure® la cellulosa e i materiali porosi non rappresentano un limite: indumenti per camera bianca (garments), carta medicale e tessuti vengono sterilizzati regolarmente. L’unico materiale da evitare è il cartone a doppia onda, che intrappola il perossido e fa da barriera durante la fase di iniezione: lo sterilizzante impiegherebbe troppo tempo per penetrare il prodotto e troppo tempo per essere rimosso nel degasaggio, rendendo il processo poco efficiente. I liquidi, invece, non possono essere sterilizzati con il vH₂O₂, perché il perossido non vi penetra.

Raggi gamma ed e-beam

La sterilizzazione con raggi gamma (sorgenti di cobalto-60) e con fascio di elettroni (e-beam), regolata dalla ISO 11137, avviene a temperatura ambiente e non lascia residui chimici. I raggi gamma hanno un’elevata penetrazione e trattano pallet interi; l’e-beam è molto più rapido ma penetra meno e si adatta a prodotti a bassa densità.

I limiti sono legati ai materiali e alla logistica: alcuni polimeri, come il PTFE e determinate formulazioni di PVC e polipropilene, possono degradarsi, ingiallire o diventare fragili in funzione della dose, e l’irraggiamento richiede quasi sempre il conferimento a impianti esterni, con i relativi tempi di trasporto. I raggi X rappresentano un’evoluzione emergente con penetrazione simile ai gamma.

Come scegliere l’alternativa corretta: compatibilità materiali, scala, validazione

La scelta tra ossido di etilene e tecnologie alternative va fatta prodotto per prodotto, valutando tre dimensioni.

• ▸Compatibilità dei materiali e dell’imballaggio. Con il vH₂O₂ sotto vuoto spinto (HyPerPure®) va evitato il cartone a doppia onda, mentre cellulosa e materiali porosi sono compatibili; polimeri sensibili alle radiazioni possono escludere gamma ed e-beam. Il confezionamento va verificato e, se necessario, modificato: nei processi a gas o vapore deve essere permeabile allo sterilizzante, come il Tyvek®.
• ▸Scala e organizzazione produttiva. Le radiazioni sono efficienti su grandi volumi in outsourcing; il vH₂O₂ permette di sterilizzare in-house, in reparto o in linea, riducendo magazzino e tempi di attraversamento.
• ▸Validazione. Il passaggio da EtO a un nuovo metodo è una modifica significativa: richiede nuova convalida del processo, prove di compatibilità dei materiali, valutazione biologica, verifica dell’integrità del confezionamento e del mantenimento delle prestazioni del dispositivo, oltre agli adempimenti regolatori previsti dal mercato di destinazione.

La tabella riassume le differenze principali. I valori sono indicativi: tempi, penetrazione e compatibilità dipendono da materiali, geometria, densità del carico e confezionamento.

	Ossido di etilene	vH₂O₂ sotto vuoto spinto (HyPerPure®)	Raggi gamma	E-beam
Temperatura	37-63 °C	25-55 °C	Ambiente (con lieve riscaldamento del prodotto)	Ambiente (con lieve riscaldamento del prodotto)
Durata tipica	Da meno di 1 a diversi giorni, aerazione inclusa	Alcune ore	Ore (più trasporto)	Minuti (più trasporto)
Residui	EtO ed ECH, richiede aerazione	Si decompone in acqua e ossigeno; perossido residuo verificato in convalida	Nessuno	Nessuno
Pre-condizionamento	Sì (temperatura e umidità, fino a 24 ore)	No	No	No
Post-condizionamento	Sì (aerazione, da ore a giorni)	No (rimozione dello sterilizzante integrata nel ciclo)	No	No
Penetrazione	Molto alta	Alta	Molto alta	Limitata
Materiali critici	Prodotti sensibili all’umidità	Cartone a doppia onda; liquidi	PTFE, alcune formulazioni di PVC e PP	PTFE, alcune formulazioni di PVC e PP
Dispositivi con elettronica integrata (es. pacemaker)	Sì	Sì	No	No
Norma di riferimento	ISO 11135	ISO 22441	ISO 11137	ISO 11137
Installazione in-house	Sì, con vincoli di sicurezza	Sì	Raramente	Raramente
Impatto sullo spazio	Alto (celle di pre-condizionamento e aerazione, stoccaggio gas, abbattimento)	Basso	Alto (bunker schermato)	Alto (acceleratore e schermatura)

Per approfondire le soluzioni disponibili, De Lama, con oltre 75 anni di esperienza nella sterilizzazione farmaceutica, propone una gamma di autoclavi a bassa temperatura progettate per carichi termosensibili. Una panoramica completa dei metodi è disponibile nella guida ai processi di sterilizzazione.

Domande frequenti sull’ossido di etilene

L’ossido di etilene è pericoloso per la salute?

Sì. L’ossido di etilene è classificato come cancerogeno di Gruppo 1 dall’IARC ed è anche mutageno e irritante per occhi, pelle e vie respiratorie. Per questo gli impianti devono garantire camere stagne, abbattimento delle emissioni, monitoraggio ambientale e un’aerazione adeguata del prodotto, così che i residui rientrino nei limiti della ISO 10993-7.

Quali prodotti si sterilizzano con ossido di etilene?

Principalmente dispositivi medici termosensibili e confezionati: cateteri, set per infusione e dialisi, kit chirurgici monouso, suture, dispositivi con componenti elettronici o polimerici. Nel settore farmaceutico l’uso è più limitato e riguarda soprattutto componenti, contenitori e imballaggi primari.