包装设计是整个医疗器械开发过程的重要步骤，然而它常常被当作事后考虑的问题，或者企业倾向于购买现成系统，而不去考虑器械或消毒方法。
包装设计过程通常从选择合适的包装材料开始。这取决于器械的几何形状、使用场合以及选择的灭菌方法。该包装必须证明其在促进灭菌、在货架期内维持无菌阻隔性能、物理保护并控制产品、易于现场拆开使用等方面是有效的。满足这些标准需要进行设计与后续测试，这是一个费时费力的过程。
虽然上述功能对于包装至关重要，但促进灭菌、维持无菌阻隔性能可能是最不为人所知的。下面介绍一些常用的灭菌形式、设计特征和一些测试方法，可以协助我们确定最佳的包装系统。
尽管有多种灭菌方法可供选择，但业界主要采用三种灭菌方式：环氧乙烷（EO）、电离辐射（也被称为伽马辐射或电子束）和蒸汽灭菌。不同的器械、灭菌方式和设计可以处理不同的状况。例如，对于具有较长管道的器械，EO可能难以到达管腔中心，而具有灵敏电子器件的设备不适合采用伽玛辐射或电子束灭菌。选择材料时必须慎重考虑这些因素。
EO灭菌的包装设计
EO是医疗行业最常用的灭菌方式，约占所有已消毒医疗器械的一半以上。EO是一种无色、易燃的致癌气体，主要作为聚合物、防冻剂等产品的前体。灭菌过程包括产品预处理、曝露和曝气（放气）。
预处理是指将产品暴露在温暖而潮湿的环境中，直到获得均匀的内部温度和湿度（大约45℃，55%-65%的相对湿度）。然后将产品装入密封室内，使其曝露在EO气体中。经过预设的有效曝露时间后将产品移出，然后在高温下排出气体以去除残留的EO。这种灭菌形式被称为气体进/出过程。
EO气体需要进入包装与器械接触，并且气体随后需要离开包装以降低毒性。因此，使用EO时需要重点考虑包装材料的渗透性或透气性。
有多种多孔材料可供选择，而所选材料须能节省加工时间和成本。常用材料包括纺粘型HDPE高密度聚乙烯（Tyvek特卫强是其中一个很受欢迎的产品）和医疗级透析纸。材料越透气，EO越容易进入和离开包装。必须考虑整个曝露周期的压力变化。需要评估包装密封件的强度以确定它可以在整个周期内承受压力变化，但是密封件强度不应太强，因为这会影响最终用户打开包装使用器械的难度。
评估包装透气性的最佳方法是ISO 5635-5空气渗透性测定。该方法采用一种被称为透气度测定仪的装置，利用一个依靠重力下落的圆柱体来迫使已知体积的空气穿过多孔材料。材料的孔越多，圆柱体下落得越快。
采用爆破测试（ASTM F1140可伸缩包装的抗内部增压损坏用标准试验方法）可在包装遭受压力变化时提供有价值的数据用于评估密封强度。进行该测试，首先要密封包装上的所有多孔区域（使用普通包装带或其他方法），然后以可控速度将空气注入包装内，直到最薄弱的密封失效或破裂。失效位置等信息可以帮助工程师确定曝露于EO之后可能出现的潜在设计问题。
辐射灭菌的包装设计
另一个常见的灭菌形式是电离辐射—伽玛辐射和电子束。电离辐射的灭菌过程有所不同，比气体灭菌更简单。在伽玛辐射期间，包装好的产品被放到输送系统的托架上。然后，输送机让产品围绕一个钴-60辐射源运动，直到接受适当剂量的辐射。
电离辐射的关键特征是它会在分子层面根本性地改变材料。最常见的变化被称为裂解。当长链分子被分解成更小片段时就会发生裂解。如果你把大多数聚合物想象成一个由长分子组成的大结，之后分子被截短：结的物理特性将发生变化。通常这会导致光学变化（颜色、不透明度和光泽度变化）以及物理变化（产生脆性）。
多孔材料和非多孔材料都可以采用辐射灭菌，与气体灭菌法相比它适用于更多的包装材料。然而，由于电离辐射会导致材料变脆，因此包装设计应选择在灭菌后具有适当强度的材料。
可以采用几种测试方法来确定这类材料变化。
密封强度测试是评估这类材料变化的最主要方法，可按照ASTM F88挠性阻隔材料密封强度标准测试法来实施。该密封强度测试可以评估包装容纳产品的能力以及打开包装所需的强度。想象一下在手术室环境中打开一个装有医疗器械的伽玛灭菌包装。这时材料可能失效，包装膜会破裂而自行打开，而不是按照设计在密封处打开包装。这会导致医疗器械落在未消毒区域的表面，变得无法使用。
蒸汽灭菌的包装设计
蒸汽灭菌（湿热）是最常见的非工业灭菌方式。在灭菌过程中，包装被放置在一个充满高压蒸汽的腔室内。灭菌温度通常为121℃或132℃。该过程类似于气体灭菌法，例如用于蒸汽灭菌的包装必须是多孔的，可以让蒸汽自由通过。适用于该灭菌法的常见包装材料是纸袋、机织或无纺的包装材料；可重复使用的金属托盘也是极佳选择。
使用蒸汽时需要考虑的一个重要因素是评估湿热对托盘与盖子材料之间的粘合剂的影响。如果粘合剂不是耐高温和防潮湿的设计，就会影响无菌阻隔性能。
测试蒸汽灭菌包装的方法有很多，应根据所需的评估特性来选择正确方法。包装过早破裂或者包装密封物放出气泡可能暗示粘合剂受损。在灭菌之前和之后应进行密封剥离测试以确定是否仍然满足验收标准，同时确保密封强度没有下降。
结论
本文提供的信息可以在医疗器械制造商、包装设计师和灭菌工程师选择包装灭菌解决方案时提供有价值的参考。它能指出潜在的故障模式，然后利用检测来协助重新设计。
所有灭菌过程都会在一定程度上影响材料和包装；评估包装灭菌法的目的是了解那些有害的变化以及如何减轻它。通常情况下，医疗器械的包装设计是一项跨学科的工作，涉及工程设计、材料科学、灭菌（微生物学）以及对法规的理解。深入研究这些领域将大大有助于包装及时通过验证与批准。
