凍干小課堂|藥品凍干工藝及優(yōu)化

由于藥品冷凍干燥過(guò)程會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)力，對(duì)凍干藥品的藥性有很大的影響，因此對(duì)藥品冷凍干燥過(guò)程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)于減少凍干損傷和提高凍干藥品的質(zhì)量有重大的意義。

生物樣品的凍干需考慮三方面問(wèn)題，一是如何保證凍干過(guò)程的順利進(jìn)行;二是如何減少凍干過(guò)程對(duì)生物藥品藥效的影響;三是如何降低生物藥品凍干過(guò)程的能耗。

(一)凍結(jié)研究

冷凍干燥過(guò)程中的凍結(jié)過(guò)程非常重要，因?yàn)樵趦鼋Y(jié)中形成的冰晶形態(tài)和大小以及玻璃化程度不僅影響后續(xù)的干燥速率，而且影響凍干藥品的質(zhì)量。因此在凍結(jié)過(guò)中必須考慮配方、凍結(jié)速率、凍結(jié)方式、以及是否退火等問(wèn)題。

1.配方的影響

配方中的固體含量會(huì)影響凍結(jié)和干燥過(guò)程。如果固體含量少于2%，會(huì)影響凍干藥品結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。尤其在干燥過(guò)程中，若藥品微粒不能粘在基質(zhì)上，逸出的水蒸氣會(huì)把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時(shí)甚至?xí)У秸婵帐耶?dāng)中。固含量也不能太大，太大可能影響配制過(guò)程(如溶解性)和產(chǎn)品的復(fù)溶性等。

另外，濃度較高的蛋白溶液凍干后穩(wěn)定性相對(duì)較好，因?yàn)楦邼舛葧r(shí)，冰界面處的蛋白處于飽和狀態(tài)，蛋白結(jié)構(gòu)鏈伸展較少。也可加入適量表面活性劑，競(jìng)爭(zhēng)冰界面處的蛋白位置，而減少冰晶和蛋白間的界面面積。

較理想的凍干蛋白質(zhì)藥品應(yīng)均勻一致、表面光滑、性質(zhì)穩(wěn)定。一般配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩(wěn)定劑等保護(hù)劑，蔗糖、甘露醇、白蛋白等糖類或多元醇經(jīng)常被用于凍結(jié)和凍干過(guò)程中非特定蛋白質(zhì)的保護(hù)劑，它們既是有效的低溫保護(hù)劑又是很好的凍干保護(hù)劑，它們對(duì)凍結(jié)的影響取決于種類和濃度。如果用蔗糖和甘氨酸適當(dāng)比例作為乳酸脫氫酶的凍干保護(hù)劑，可獲得較好的保護(hù)效果，而單獨(dú)采用甘氨酸時(shí)凍干后乳酸脫氫酶的活性不高。此時(shí)甘氨酸的作用是提高樣品凍干過(guò)程的塌陷溫度，同時(shí)在凍干制品貯存過(guò)程中也有利于抑制蔗糖的結(jié)品，增加制品的穩(wěn)定性。

2.凍結(jié)方式

凍結(jié)方式不同，產(chǎn)生的冰品的形態(tài)和大小就不同，而且會(huì)影響后繼的干燥速率和凍干藥品質(zhì)量。根據(jù)凍結(jié)機(jī)理，可以把凍結(jié)分為全域過(guò)冷結(jié)晶和定向結(jié)晶兩類。全域過(guò)冷結(jié)晶是指全部藥液處于相同或相近的過(guò)冷度下進(jìn)行凍結(jié)的方式。在全域過(guò)冷結(jié)晶中，凍結(jié)速率和冰晶成核溫度是重要的參數(shù)。全域過(guò)冷結(jié)晶可分為慢速凍結(jié)和快速凍結(jié)兩類，其中快速凍結(jié)的冰晶細(xì)小，沒(méi)有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象，但是存在不完1全凍結(jié)現(xiàn)象，完1全凍結(jié)現(xiàn)象，且升華速率低，解吸速率快;而慢速冷卻產(chǎn)生較大的冰晶，存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象，但升華速率快，解吸速率慢。全域過(guò)冷結(jié)晶受冰晶成核溫度的影響較大。因?yàn)楸С珊藴囟鹊碾S機(jī)性導(dǎo)致升華干燥速率的不均勻性，并對(duì)與形態(tài)相關(guān)的參數(shù)如凍干藥品表面積和解吸干燥速率產(chǎn)生影響。

定向結(jié)晶是指一小部分藥液處于過(guò)冷狀態(tài)下進(jìn)行凍結(jié)的方式。一種是垂直凍結(jié)方式，即溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用干冰冷卻，形成晶核，然后放到-50℃的擱板上凍結(jié)。用這種方式凍結(jié)的樣品的冰晶在垂直方向呈煙囪狀，在藥品表面沒(méi)有凍結(jié)濃縮層，而且整個(gè)藥品的結(jié)構(gòu)均一性很好，因此在干燥時(shí)的傳質(zhì)阻力很小，加快了凍干速率。Martin Kramer等采用了另外一種方式實(shí)現(xiàn)了定向凍結(jié)即在真空室壓力為0.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開(kāi)始表面凍結(jié)，形成1~3mm左右的冰晶薄層;然后解除真空，降低擱板溫度到結(jié)晶溫度以下進(jìn)行凍結(jié)。在這種條件下長(zhǎng)成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時(shí)升華干燥時(shí)間比采用一般凍結(jié)的時(shí)間節(jié)省了20%。分析凍干藥品時(shí)還發(fā)現(xiàn):對(duì)甘露醇，采用這種方式凍結(jié)的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結(jié)的要多;但對(duì)蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。

凍結(jié)方式不同，產(chǎn)生的冰晶形態(tài)和大小就不同，后續(xù)的干燥速率也不同。實(shí)驗(yàn)證明，采用定向結(jié)晶方式的凍結(jié)藥品的干燥速率比全域過(guò)冷結(jié)晶的快。但是無(wú)論采用哪種凍結(jié)方式，藥品溶液必須部分或全部實(shí)現(xiàn)玻璃化凍結(jié)，以保護(hù)藥品藥性。通常采用全域過(guò)冷結(jié)晶方式的較常見(jiàn)。

3.退火

當(dāng)藥液的完1全凍結(jié)是獲得優(yōu)質(zhì)凍干制品的重要條件，但一些藥液尤其在含有有機(jī)溶劑的復(fù)合溶劑體系，凍干保護(hù)劑常會(huì)影響到有機(jī)溶媒的凍結(jié)。退火過(guò)程可強(qiáng)化結(jié)晶，提高非晶相凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g，改變冰晶形態(tài)和大小分布，提高干燥效率。所以在升華干燥前引入退火操作可提高干燥效率和制品品質(zhì)。

為了達(dá)到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時(shí)間等參數(shù)。但是目前由于實(shí)驗(yàn)手段不夠先進(jìn)和理論知識(shí)比較缺乏，退火機(jī)理尚有疑問(wèn)，退火參數(shù)的選取仍然沒(méi)有依據(jù)。

4.最1低凍結(jié)溫度

最1低凍結(jié)溫度與樣品的共熔點(diǎn)有關(guān)，一般安全的凍結(jié)溫度低于共熔點(diǎn)10℃左右。權(quán)國(guó)波等試驗(yàn)考察了預(yù)凍溫度(-20℃，-35℃，-45℃，-80℃或-196℃)對(duì)紅細(xì)胞凍干的影響，結(jié)果顯示預(yù)凍溫度并不是越低越好，只要溫度等于或低于體系的固化溫度即可。但預(yù)凍溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致預(yù)凍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響細(xì)胞的存活，所以此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低預(yù)凍溫度。

通常凍干機(jī)的擱板溫度遠(yuǎn)元高于預(yù)凍溫度。如果預(yù)凍溫度很低，那么當(dāng)樣品從改溫度下移入凍干機(jī)擱板時(shí)，溫度上升幅度很大，有明顯的復(fù)溫現(xiàn)象。這可能會(huì)造成樣品二次結(jié)晶，從而對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械損傷。如果預(yù)凍溫度較高，由于降溫速率相應(yīng)降低，滲透性保護(hù)劑可以充分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而最近研究認(rèn)為良性內(nèi)源冰晶可以通過(guò)防止細(xì)胞脫水增加細(xì)胞對(duì)冷凍物害的耐受性，而且由于預(yù)凍溫度和擱板溫度之間的溫差變小，紅細(xì)胞可免受復(fù)溫所造成的傷害。

5、凍結(jié)時(shí)間

應(yīng)確保抽真空1前所有祥品均已凍實(shí)，一般在達(dá)到最1低度后再保持2-3h。

(二) 干燥

藥品冷凍干燥的干燥過(guò)程可以分為一次干燥和二次干燥兩個(gè)階段,在一次干燥階段除去自由水，在二次干燥階段除去部分結(jié)合水。目前，提高干燥速率的方法主要有控制擱板和藥品溫度、冷阱溫度和真空度等。

1. 控制藥品溫度，包括控制凍結(jié)層和已干層的溫度，主要由控制隔板溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂苾鼋Y(jié)層溫度的原則是在保證凍結(jié)層不發(fā)生熔化(低于低共晶點(diǎn)溫度)的前提下，溫度越高越好;控制已干層溫度的原則是在不使物料變性或已干層結(jié)構(gòu)崩塌的前提下，盡量采用較高的干燥溫度。隔板溫度還會(huì)影響凍干制品的生物學(xué)性質(zhì)，如Rindler等采用羥1乙1基淀粉(HES)和麥芽糖作為保護(hù)劑研究?jī)龈蓹C(jī)擱板溫度對(duì)凍干紅細(xì)的影響。擱板溫度為-35℃時(shí)，溶血率最1低;但當(dāng)溫度高于或低于-35℃時(shí)，溶血率上升。

2. 控制冷阱溫度

制品和冷阱間的溫差是水升華的驅(qū)動(dòng)力。由于藥品溫度受加熱方式的限制，且不能高于共熔溫度，因此冷阱溫度越低越好，一般應(yīng)至少低于制品溫度20℃。若凍干產(chǎn)品要求很低的含水量，在解吸干燥過(guò)程中，冷阱溫度要求更低。

3.真空度

凍干箱內(nèi)壓力的升高對(duì)凍干過(guò)程一般有正反兩方面的影響:一方面調(diào)板通過(guò)氣體對(duì)流途徑對(duì)制品的傳熱能力提高，使升華界面溫度及其升華速率也升高；另一方面引起水蒸氣遷移勢(shì)差減小，反而使升華速率也減小。另外，干燥速率也與溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓與凍干箱內(nèi)的真空度之差相關(guān)。壓差大，有助于水汽逸出;壓差越小，逸出越慢，干燥速率也越小。如果冷凍干燥是傳熱控制過(guò)程，則干燥速率隨著干燥箱壓力升高而降低。

一般升華干燥階段的真空度在10~30Pa時(shí)，既有利于熱量的傳遞，又利于升華的進(jìn)行。根據(jù)真空度對(duì)凍干速率的影響，采用循環(huán)壓力法可獲得較理想的凍干效果。

由于藥品組成等性質(zhì)不同，凍干曲線也不同，在實(shí)際的藥品冷凍干燥生產(chǎn)中，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化凍干曲線，提高干燥速率，降低能耗。