Tiệt trùng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tiệt trùng

Tiệt trùng (tiếng Anh: sterilization) là quá trình loại bỏ hoặc tiêu diệt toàn bộ dạng sống của vi sinh vật, bao gồm cả vi khuẩn, virus, nấm men, nấm mốc và đặc biệt là bào tử - dạng đề kháng mạnh nhất của vi sinh vật. Mục tiêu của tiệt trùng là đạt được trạng thái hoàn toàn vô trùng (asepsis), không còn bất kỳ dạng sống nào tồn tại trên bề mặt, trong không khí hoặc trong dung dịch.

Tiệt trùng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó nổi bật nhất là y học, dược phẩm, vi sinh, sản xuất thực phẩm và công nghệ sinh học. Sự khác biệt giữa tiệt trùng và các biện pháp làm sạch khác chính là mức độ tuyệt đối: tiệt trùng không cho phép tồn tại bất kỳ sinh vật sống nào, dù là một tế bào duy nhất.

Một số môi trường hoặc vật liệu cần được tiệt trùng tuyệt đối bao gồm:

• Dụng cụ phẫu thuật và thiết bị y tế có tiếp xúc với mô cơ thể
• Môi trường nuôi cấy vi sinh vật trong phòng thí nghiệm
• Dược phẩm dạng tiêm, nhỏ mắt hoặc truyền dịch
• Thực phẩm tiệt trùng như sữa hộp, thực phẩm trẻ em

Phân biệt tiệt trùng và khử trùng

Hai khái niệm "tiệt trùng" và "khử trùng" thường bị nhầm lẫn. Tuy nhiên, trên phương diện vi sinh học và kiểm soát nhiễm khuẩn, đây là hai cấp độ hoàn toàn khác nhau. Khử trùng (disinfection) là quá trình loại bỏ phần lớn hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh, nhưng không đảm bảo tiêu diệt toàn bộ bào tử. Trong khi đó, tiệt trùng yêu cầu tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật, kể cả dạng đề kháng nhất.

Phân biệt này đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực y tế. Ví dụ, dụng cụ dùng để tiếp xúc với máu hoặc mô sâu của cơ thể (như dao mổ, kim tiêm) bắt buộc phải được tiệt trùng. Ngược lại, các bề mặt như bàn làm việc hay thiết bị ngoại vi có thể chỉ cần khử trùng định kỳ bằng dung dịch sát khuẩn.

Tham khảo hướng dẫn chuyên sâu của CDC về khử trùng và tiệt trùng trong chăm sóc sức khỏe để nắm rõ tiêu chuẩn áp dụng cụ thể cho từng tình huống.

Các phương pháp tiệt trùng phổ biến

Các phương pháp tiệt trùng được lựa chọn tùy theo loại vật liệu, mục đích sử dụng và tính chất vật lý của vật thể cần xử lý. Không có một phương pháp duy nhất phù hợp cho tất cả. Dưới đây là các nhóm phương pháp tiệt trùng chính được sử dụng rộng rãi:

• Nhiệt ướt (autoclave): Sử dụng hơi nước áp suất cao ở 121–134°C trong 15–30 phút. Phù hợp cho dụng cụ kim loại, môi trường nuôi cấy, vải không nhạy cảm với nhiệt độ.
• Nhiệt khô: Dùng không khí nóng ở nhiệt độ 160–180°C trong thời gian dài hơn (60–120 phút). Áp dụng cho thiết bị chịu nhiệt tốt như thủy tinh, kim loại.
• Tia bức xạ (UV, gamma): Tia UV phá hủy DNA, dùng trong không gian kín; tia gamma dùng để tiệt trùng vật liệu nhạy cảm với nhiệt như nhựa, sản phẩm y tế đóng gói sẵn.
• Khí hóa học (ethylene oxide, formaldehyde): Thường dùng cho vật liệu nhạy nhiệt như ống nội soi, thiết bị nhựa y tế.
• Lọc màng: Dành cho dung dịch không chịu được nhiệt, sử dụng màng lọc có kích thước lỗ ≤ 0.22 µm để giữ lại vi sinh vật.

Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng riêng biệt. Chẳng hạn, ethylene oxide rất hiệu quả cho vật liệu nhạy nhiệt nhưng cần thời gian sục khí và kiểm tra tồn dư rất nghiêm ngặt do độc tính cao.

Nguyên lý hoạt động của các phương pháp tiệt trùng

Dù phương pháp khác nhau, nguyên lý chung của tiệt trùng là phá vỡ cấu trúc hoặc chức năng sống cốt lõi của vi sinh vật. Mục tiêu là khiến tế bào không thể tồn tại, nhân đôi hoặc hồi phục. Dưới đây là các cơ chế chính:

• Nhiệt độ cao: Làm biến tính protein, phá hủy enzyme và màng tế bào.
• Bức xạ ion hóa: Làm gãy DNA hoặc RNA, gây đột biến không thể phục hồi.
• Hóa chất diệt khuẩn: Gây tổn hại màng tế bào, enzyme, cấu trúc bên trong vi sinh vật.
• Lọc vật lý: Loại bỏ vi sinh vật khỏi môi trường mà không tiêu diệt chúng.

Việc lựa chọn phương pháp không chỉ phụ thuộc vào khả năng tiêu diệt vi sinh vật mà còn phải xem xét khả năng tương thích với vật liệu cần xử lý. Ví dụ, tia gamma có khả năng xuyên sâu và rất hiệu quả, nhưng không được dùng cho vật liệu dễ bị phân hủy do bức xạ.

Trong ứng dụng thực tế, người ta thường sử dụng các chỉ số như D-value (thời gian cần để tiêu diệt 90% vi sinh vật ở nhiệt độ nhất định) và F-value (thời gian tương đương tại 121°C để đạt mức tiệt trùng cần thiết) để đánh giá và thiết kế quy trình tiệt trùng hiệu quả.

Tiêu chuẩn kiểm tra hiệu quả tiệt trùng

Hiệu quả của quá trình tiệt trùng không thể được xác định chỉ bằng quan sát trực quan. Do đó, cần có hệ thống kiểm tra khách quan và định lượng để xác nhận rằng toàn bộ vi sinh vật đã bị tiêu diệt. Trong thực hành, người ta sử dụng ba loại chỉ thị chính: sinh học, hóa học và vật lý.

Chỉ thị sinh học (Biological indicators - BI): là tiêu chuẩn vàng để đánh giá hiệu quả tiệt trùng. Các chỉ thị này thường chứa bào tử của vi khuẩn có khả năng đề kháng cao, ví dụ Geobacillus stearothermophilus (cho nhiệt ướt) hoặc Bacillus atrophaeus (cho nhiệt khô và khí EO). Nếu sau chu trình tiệt trùng, không phát hiện sự sống của bào tử này, quá trình được xem là đạt yêu cầu.

Chỉ thị hóa học: là các dải màu, tem nhãn hoặc băng dính phản ứng với nhiệt độ, thời gian và/hoặc áp suất. Chúng không đảm bảo diệt khuẩn nhưng giúp xác nhận rằng thiết bị đã trải qua quy trình tiệt trùng. Có 6 loại chỉ thị hóa học (theo ISO 11140-1), từ loại I (chung nhất) đến loại VI (độ nhạy cao).

Chỉ thị vật lý: bao gồm các đồng hồ nhiệt độ, bộ ghi dữ liệu hoặc cảm biến áp suất theo dõi thời gian thực các thông số kỹ thuật. Chúng đặc biệt hữu ích trong việc giám sát sự ổn định và đồng đều trong buồng tiệt trùng.

Ứng dụng của tiệt trùng trong đời sống và công nghiệp

Tiệt trùng không chỉ là yêu cầu bắt buộc trong bệnh viện mà còn đóng vai trò thiết yếu trong các ngành công nghiệp hiện đại. Tùy theo tính chất sản phẩm và mức độ yêu cầu vệ sinh, mỗi ngành áp dụng các kỹ thuật và tiêu chuẩn khác nhau.

• Y tế: Dụng cụ phẫu thuật, bơm tiêm, ống nội khí quản, máy thở phải được tiệt trùng để ngăn ngừa nhiễm khuẩn bệnh viện. Các trung tâm CSSD (Central Sterile Services Department) là nơi tập trung xử lý khâu tiệt trùng tại bệnh viện.
• Dược phẩm: Các sản phẩm dạng tiêm (ống thuốc, truyền dịch, insulin…) phải được tiệt trùng tuyệt đối. Dây chuyền sản xuất thuốc vô trùng phải được vận hành trong môi trường phòng sạch (cleanroom) và trải qua các chu trình tiệt trùng định kỳ.
• Thực phẩm: Sữa tiệt trùng (UHT), đồ hộp, nước trái cây đều được xử lý bằng nhiệt hoặc tia bức xạ để tiêu diệt vi sinh vật mà vẫn giữ được dinh dưỡng và kéo dài thời hạn sử dụng.
• Phòng thí nghiệm: Các mẫu thử, dụng cụ nuôi cấy, pipet, đĩa petri đều phải vô trùng để không ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

Ở các môi trường có yêu cầu kiểm soát nhiễm khuẩn nghiêm ngặt như sản xuất vi sinh, công nghệ sinh học, và vi điện tử, tiệt trùng cũng đóng vai trò bảo đảm chất lượng và độ an toàn sản phẩm đầu ra.

Tiệt trùng trong y học và phẫu thuật

Trong phẫu thuật, việc tái sử dụng dụng cụ mà không tiệt trùng có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng như nhiễm trùng huyết, viêm màng não hoặc lây truyền bệnh truyền nhiễm. Vì vậy, mỗi bước trong quy trình tiệt trùng phải được thực hiện chính xác và được ghi nhận đầy đủ.

Chu trình xử lý dụng cụ y tế thường bao gồm:

1. Tiền xử lý (làm sạch sơ bộ)
2. Rửa bằng máy hoặc siêu âm
3. Tiệt trùng (thường bằng autoclave hoặc EO)
4. Lưu trữ trong môi trường vô trùng

Bên cạnh đó, tiệt trùng cũng áp dụng cho các sản phẩm dùng một lần như găng tay, kim tiêm, ống thông, được xử lý trước khi đóng gói trong nhà máy sản xuất. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã ban hành hướng dẫn chi tiết về việc khử nhiễm và tái sử dụng thiết bị y tế để ngăn chặn nhiễm khuẩn chéo.

Rủi ro và giới hạn của các phương pháp tiệt trùng

Dù mục tiêu của tiệt trùng là loại bỏ toàn bộ vi sinh vật, nhưng bản thân quy trình này cũng có thể gây ra một số hệ quả không mong muốn. Hiểu rõ các rủi ro giúp người vận hành lựa chọn đúng phương pháp và kiểm soát tốt chất lượng.

• Ảnh hưởng vật liệu: Nhiệt độ cao hoặc tia gamma có thể làm biến dạng nhựa, mất tính đàn hồi của cao su hoặc gây nứt vỡ thủy tinh mỏng.
• Dư lượng hóa học: Ethylene oxide rất hiệu quả nhưng có thể để lại tồn dư độc hại nếu không được loại bỏ kỹ sau tiệt trùng.
• Không đồng đều: Nếu xếp đặt vật phẩm không hợp lý trong buồng tiệt trùng, có thể tạo ra vùng chết (cold spot) không đạt điều kiện cần thiết, dẫn đến thất bại.

Vì vậy, các thiết bị tiệt trùng hiện đại thường được trang bị cảm biến đa điểm, theo dõi nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và luồng khí để đảm bảo tính nhất quán trong toàn bộ buồng xử lý.

Các công nghệ tiệt trùng mới

Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tốc độ và tính thân thiện với môi trường, nhiều công nghệ tiệt trùng tiên tiến đã được phát triển và ứng dụng thực tế. Một số công nghệ đang được sử dụng và thử nghiệm gồm:

• Plasma lạnh: Sử dụng khí ion hóa ở nhiệt độ thấp để tạo ra các gốc tự do phá hủy màng tế bào. Ưu điểm là không sinh nhiệt, phù hợp cho vật liệu nhạy cảm.
• Tiệt trùng bằng tia UV-C LED: Khác với đèn UV truyền thống, đèn LED UV-C có bước sóng ổn định hơn và tuổi thọ cao, phù hợp cho không gian kín nhỏ như hộp tiệt trùng cá nhân, thiết bị điện tử.
• Kết hợp vi sóng và hơi nước: Rút ngắn thời gian tiệt trùng đồng thời duy trì hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật, được ứng dụng trong xử lý rác thải y tế tại chỗ.

Các công nghệ này mở ra tiềm năng giảm thiểu chi phí vận hành, hạn chế tác động lên môi trường và tăng khả năng tự động hóa trong các hệ thống xử lý thiết bị y tế và thực phẩm.

Các công thức toán học liên quan đến tiệt trùng

Trong kỹ thuật tiệt trùng, một số công thức được sử dụng để mô hình hóa và tính toán mức độ tiêu diệt vi sinh vật. Những công thức này giúp xác định thời gian và điều kiện cần thiết để đạt vô trùng.

Hằng số tiêu diệt D (D-value):

$D = \frac{1}{k}$

Trong đó $k$ là tốc độ tiêu diệt vi sinh vật theo thời gian. D là thời gian cần để giảm số lượng vi sinh vật xuống 10 lần (log giảm 1 log CFU).

Giá trị F (F-value): là thời gian tương đương cần thiết ở nhiệt độ chuẩn (thường là 121°C) để đạt mức giảm log mong muốn.

$F = D \cdot \log \left( \frac{N_0}{N} \right)$

Trong đó:

• $N_0$: Số lượng vi sinh vật ban đầu
• $N$: Số lượng còn lại sau xử lý
• $D$: Hằng số tiêu diệt

Việc sử dụng các giá trị D và F giúp lập kế hoạch tiệt trùng chính xác, đảm bảo an toàn mà không làm hư hại vật liệu.

Tài liệu tham khảo

1. CDC – Guideline for Disinfection and Sterilization in Healthcare Facilities
2. U.S. FDA – Sterilizers and Related Equipment
3. ISO 17665 – Sterilization of Health Care Products
4. WHO – Decontamination and Reprocessing of Medical Devices for Health-care Facilities
5. NCBI – Modern Sterilization Techniques: A Review