医疗器械灭菌包装系统的一些性能实验

jonneyhuang

医疗器械灭菌包装系统的一些性能实验

谈到这个话题，首先需要对医疗器械灭菌包装系统来做个定义：在本文笔者认为，这个包装系统是所有构成对目标主体－医疗器械产品保护的外在因素组合，一个包装系统的完成主要是由包装材料选择、包装结构（或形式）设计、包装工艺执行和包装实验检验等步骤构成的。
对于医疗器械灭菌包装系统来说，基于其对包装性能要求的特殊性（主要是要求系统阻菌并且能够经受预先设计好的将被采用的各类灭菌方式），又可以将这个系统分为两个部分，即属于内包装系统范畴的无菌阻隔系统（Sterilization Barrier System, SBS）和属于外包装系统的保护性包装系统（Protective Packaging System, PPS）。相对来说，SBS更为关键，因为它的失效即意味着整个包装系统的绝对失效；而假如PPS没有达到预期设计的目的却并不一定意味着整个或整批包装系统的失效，并且发现和找寻这种包装的失效方法很简单而成本又很低。其实这样看来，医疗器械灭菌包装系统和那些对阻隔性比较敏感的包装系统，比如特殊食品包装和药品包装一样，都可以分为内包装系统和外包装系统，这点和普通工业品包装不一样，也和非常注重缓冲包装的家用电器和电子类产品的包装不一样。
第一部分：内包装系统
医疗器械灭菌包装的内包装系统，或无菌阻隔系统（下称SBS），在功能性方面有三个必须要满足的要求，分别是包装完整性（Packaging Integrity）、包装保护性和便捷/洁净开启性（Cleaning Peel），下面的一些文字内容是对这三个功能性要求及其对应实验方法的分别论述：
一、有关完整性的要求
对于医疗器械灭菌包装来说，构成一个密封系统来保证对各类有害微生物的阻隔是基础的，也是必须的。这种阻隔性在由纸塑构成的软包装领域也许非常普遍，但对于需要灭菌的医疗器械包装来说，当结合预期的灭菌方法来考虑，往往会面临矛盾的选择，因为在国内现有流行的灭菌方法里，环氧乙烷（EtO）气体灭菌因其称本和对材料的普遍适应性而最受欢迎的，但这种灭菌方法却对包装完整性提出了一个挑战：它要求包装必须透气，因为EtO也要穿过这个密封的包装系统进入到里面去杀灭包装系统内部微生物。
由此可知，为了满足EtO类需透气的灭菌方式的需要，我们现在选择构成医疗器械灭菌包装内包装系统的材料必须满足透气但同时又要阻菌的功能，所以必须选择带足够小孔隙的并且具有一定机械强度的材料，既所谓的多孔性材料，当然它们的孔隙要略小于有害微生物的直径这样才能有效阻止微生物的进入。目前这种常用的多孔性材料主要包括来自Dupont公司的无纺布级材料Tyvek和对卫生洁净性和孔径大小有严格要求的医疗级包装用纸，这种医用包装纸有多家公司可以提供。而值得注意的事这些多孔性材料自身并不具备很好的直接加工性能来构成一个完整的内包装阻隔系统，它们需要经过诸如涂胶等表面加工手段从而获取和其它材料一起被加工成包装阻隔系统的性能。

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另一方面，多孔性透气材料只是构成内包装系统的一部分，另一部分视包装形式不同可以是各类不通结构的高分子薄膜、吸塑盒等，它们通过通常是各种类型的热合方式被加工成一个完整的内包装系统以实现阻隔微生物进入包装内部的功能。
而检验这个内包装系统是否完整，按照现有的标准规范，一般是参照ASTM F1929-1998，既“甲苯胺兰染色溶液渗透检验方法”，在此之前可能基于EN868-1的罗丹明溶液染色渗透实验也曾在国内广泛盛行（估计现在国内也还是广泛应用的），但因FDA怀疑其为潜在致癌物质而禁用。甲苯胺兰溶液的配方在ASTM F1929里有给出，但具体的实验操作方法在这个标准里没有给出，而不得不指出的事，这个实验操作方法还是很有技巧性的，需要经过简单培训才可以，但实验的整体难度不大。
对于为满足Gamma、E-Beam之类的高能灭菌方式而设计的内包装无菌系统，因其没有透气性要求，也就无需再使用多孔性包装材料了，但对内包装系统的完整性要求还是一样的，这时可以使用压差法之类的适用于密封性包装系统的检漏方法来检查，国内外也有很多非指定性标准来参考，相对来说操作上要容易点。当然有利的是，一般这类密封性材料均为高分子塑料材料，
二、有关保护性的要求
保护性要求相对于完整性要求来说是很容易被理解的，包装最原始的功能就是为了保护产品并进而演化成促进销售和便捷使用等附加性功能，所以不管是内包装系统还是外包装系统，其保护性要求在本质上是一样的，只不过在构成形式上有所差异。
对于内包装系统的保护性要求来说，既要求包装材料自身要有一定的机械强度，又要求构成这个内包装系统的不同材料的结合处也要有一定的强度，而通常这种结合是通过各种热合手段来实现的，常常被用到的热合方式包括普通热合、高频热合和超声波热合等。
材料自身的机械强度是很容易被确定的，一般来说只要检测材料的拉伸强度、戳穿强度、缺口撕裂强度、耐破强度等常规机械性能指标即可得到大概的数据，而目前常用的材料，比如各类复合薄膜、Tyvek和医用包装纸，它们的这些机械性能指标也是很容易从各种涂胶查询到的。

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复杂的情况是材料结合处的热合强度大小的控制，因为要考虑材料自身机械性能、涂胶成分和性质、热合方式以及热合设备等因素，所以想要直接给出一个普遍适用的热合强度范围是很有挑战的，这必须结合被包装的产品以及以往的历史经验数据才可以。
热合强度过大或过小都会带来问题。热合强度过大的话会有两个问题，一是不能洁净开启的问题，因为过度的热合强度很容易会造成材料在热封区域撕裂，特别是当热封强度大于材料自身的抗张强度并且材料的延伸率又不够大时，比如医用包装纸类材料，而Tyvek类材料因其卓越的机械强度而很少会有撕破现象出现；二是不能便捷开启使用，包装便捷开启对于医疗器械类产品的潜在客户，既处于手术中的压力非常大的医生或身体很虚弱又没有人照顾的病人来说，是非常能吸引他们购买的关键点之一，而过大的热合强度会让打开一个产品包装变得十分的困难或者是不能以正确的方式打开它。热合强度过小的话很明显会造成保护性不足，产品会从内包装系统中掉落从而在实际流通运输中不能得到充足的保护。
总结多年的经验和众多的产品包装热合强度数据，笔者认为除去极端情况，一般来说把热合强度区间控制在0.80-8.00N/15mm（英制单位约合0.3-3.0lbs/inch）是一个比较合理的数据，低于这个区间会造成保护性不足，高于这个区间纸张类片才基本就会有撕破和纸屑问题，从而不能满足洁净撕裂的要求，当然薄膜类和Tyvek类材料不会出现撕破问题，当打开这样的包装会花费点力气，不利于便捷开启。
三、有关便捷/洁净开启性的要求
便捷/洁净开启性要求是个比较主观同时又有一定难度达到的要去，说它主观是因为在判断的时候没有量化的指标可以参考，而且打开内包装系统的标准到现在也无法甚至是定性的给出，所以就会有不同的人打开同一批产品的包装而得出不同的结果。
便捷/洁净开启性要求对组成包装系统的材料本身及不同材料之间的热合处都有很高的要求，所以材料的机械强度要合格，热合处热合强度不能太高，这点在前面有关包装保护性要求的描述中有所提及，这里就不在赘述了。
另外还不得不指出的是，便捷/洁净开启性这个要求是最被国内医疗器械灭菌包装界忽视而又被发达国家业界重视的一项包装性能要求，特别是去年2006年4月更新后的ISO11607-2006正式出版后。在国内，笔者只在由Dupont公司参与主办的某些技术研讨会上才能听到有人非常正式的提到这项要求。

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确实，如果抛开成本方面的考虑，Dupont公司的Tyvek类材料是解决便捷/洁净开启性要求的一个非常好的选择，当然这个假设是不合实际的，因为没有哪个制造业会不考虑材料成本问题的，而在中国这个以低端制造成本为主要竞争手段的国家里，成本问题被更多的强调了。但不得不指出的是，使用纸张包装很难彻底解决洁净开启性这个问题，特别是当内包装系统的长宽尺寸超过一定限度时。伴随着新标准的出台，现在欧美的客户可能越来越对这方面挑剔起来了，还请国内的厂商注意。
的熔融热合出现渗漏的概率要比靠涂胶粘合的方式要低的多。
第二部分：外包装系统
谈完了有关内包装系统的性能实验要求，接下来谈谈有关外包装系统的。外包装系统是更典型的保护性包装系统，而更具体的说，主要是指缓冲运输包装系统，它的保护对象是内包装系统。
外包装系统的构成里最重要的是瓦楞纸箱和各类工业纸板箱，或者是不甚常用的金属和木质容器等，辅以各类典型的缓冲包装材料配件，比如气垫膜、各种发泡塑料和纸质缓冲材料等。大多数情况下这个外包装系统是很简单的，就是单单一个经过合理计算设计出来的强度合适的瓦楞纸箱，或者稍微复杂一点，在这个外包装前面在加个中包装，一般是微型瓦楞纸箱或普通卡纸箱等。而需要使用到木箱或金属箱并添加一些必要的缓冲材料配件在一次性灭菌包装的医疗器械产品中并不多见，这种情况往往出现在大型电器电子类器械的外包装中，这时它们通常不需要灭菌，也就是只剩下缓冲运输包装了，这和一次性医疗器械灭菌包装是两个相差非常大的包装方式。
那么该如何检验这个外包装系统的有效性呢？也就是如何用实验的方法来判断我们的外包装设计是符合预定目标的，既保证产品的内包装系统可以经受住各种预先想到或没有想到的流通仓储环境条件的考验直到它们被安全的送达到最终消费者手中。考虑到流通环境的复杂性，小公司的工程技术人员是没有能力获取并设计仿真的模拟流通环境来测试产品外包装系统能否经受住流通环节的考验，因而往往是参考相关的模拟流通环节运输实验方案，在这里要提及的两个比较权威的值得参考的实验方案是ISTA系列和ASTM D4169。

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ISTA系列运输包装实验方案是由ISTA这个组织负责编写并提供给业界参考的，ISTA本身就是International Safety Transit Association，中文可以翻译为国际安全运输协会，它的成员包括那些需要最频繁的往来运输各类非常有挑战的产品的公司，比如FedEx、UPS等快递物流公司和HP等大型消费类电子电器公司，他们用他们多年来在各类运输环境中积累的运输经验和对运输流通环节中所存在的各类冲击、震动等有害因素的信息的累计为ISTA编写这些实验方案累计了很好的资料，因而这些实验方案有相当的权威性。当然某些大公司如果在工程技术领域非常有实力并且他们的产品流通运输环节又比较特殊的话，一般也就自己来设计适合自己产品的模拟流通实验方案了。
目前ISTA共有七个系列标准，每个系列标准下面又有数量不等的几个具体子方案，所以ISTA共有几十个不通的实验方案来应对各类不通的产品外包装系统运输实验。对于一次性医疗器械外包装系统来说，因为比较简单，一般也就参考ISTA中的1、2和3这三个系列，其中1系列一般模拟国内运输，2和3系列模拟国际运输，而3系列模拟的环境又稍微苛刻一些，所以2系列是目前国际运输中最常见被引用的实验方案。
以2系列中最简单的2A实验方案来说，它的整个实验流程由下列几个具体步骤组成：1、常温环节调节；2、控制环境调节；3、整箱抗压实验；4、固定时间和频率的振动；5、1点3楞6面共10次的跌落冲击，其中跌落高度有特定的方法来确定；6、固定时间和频率的振动。这里没有给出每个步骤具体的实验参数，因为实验参数需要根据具体产品的外包装系统特性和预期的流通环境才能得出，其中诸如振动持续时间是需要计算得出的。
目前国内能够进行严格的ISTA系列实验的实验室并不多，而对医疗器械外包装系统做运输实验的更是少之又少，当然这个运输实验并不是不得不做的，因为按照医疗器械灭菌包装的一个基本原则，既可以只做最差情况（既Worst Case状态，可以是最重、最硬、尺寸结构最不规则等条件）产品的运输实验，若是它通过了，则可以推导证明比它情况好的那些产品的外包装系统都可以同样的通过运输这个实验，从而减少实验次数并因此降低实验成本和缩短项目周期，因而积累这方面的历史经验和实验数据对日后的项目开发会非常有指导意义，但一个全新项目开发的前期还是很有必要对最Worst Case的产品做一个完整的外包装系统运输实验以确定其外包装系统是能够在最差的流通仓储环境下对内包装系统或者产品自身提供充分且必要的保护的。
ASTM D4169这份标准里的运输实验方案相对来说就简单很多了，而且其主要是针对北美大陆那边的运输（路况好、人工介入少等特点明显），在国内的适用性不是很强，此外其中还有一些关于瓦楞纸箱制造和性能要求方面的内容，这里就不在详细介绍。