凍幹小課堂|藥品凍幹工藝及優化

由於(yu) 藥品冷凍幹燥過程會(hui) 產(chan) 生多種應力，對凍幹藥品的藥性有很大的影響，因此對藥品冷凍幹燥過程進行合理設計，對於(yu) 減少凍幹損傷(shang) 和提高凍幹藥品的質量有重大的意義(yi) 。

生物樣品的凍幹需考慮三方麵問題，一是如何保證凍幹過程的順利進行;二是如何減少凍幹過程對生物藥品藥效的影響;三是如何降低生物藥品凍幹過程的能耗。

(一)凍結研究

冷凍幹燥過程中的凍結過程非常重要，因為(wei) 在凍結中形成的冰晶形態和大小以及玻璃化程度不僅(jin) 影響後續的幹燥速率，而且影響凍幹藥品的質量。因此在凍結過中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。

1.配方的影響

配方中的固體(ti) 含量會(hui) 影響凍結和幹燥過程。如果固體(ti) 含量少於(yu) 2%，會(hui) 影響凍幹藥品結構的機械性能。尤其在幹燥過程中，若藥品微粒不能粘在基質上，逸出的水蒸氣會(hui) 把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時甚至會(hui) 帶到真空室當中。固含量也不能太大，太大可能影響配製過程(如溶解性)和產(chan) 品的複溶性等。

另外，濃度較高的蛋白溶液凍幹後穩定性相對較好，因為(wei) 高濃度時，冰界麵處的蛋白處於(yu) 飽和狀態，蛋白結構鏈伸展較少。也可加入適量表麵活性劑，競爭(zheng) 冰界麵處的蛋白位置，而減少冰晶和蛋白間的界麵麵積。

較理想的凍幹蛋白質藥品應均勻一致、表麵光滑、性質穩定。一般配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩定劑等保護劑，蔗糖、甘露醇、白蛋白等糖類或多元醇經常被用於(yu) 凍結和凍幹過程中非特定蛋白質的保護劑，它們(men) 既是有效的低溫保護劑又是很好的凍幹保護劑，它們(men) 對凍結的影響取決(jue) 於(yu) 種類和濃度。如果用蔗糖和甘氨酸適當比例作為(wei) 乳酸脫氫酶的凍幹保護劑，可獲得較好的保護效果，而單獨采用甘氨酸時凍幹後乳酸脫氫酶的活性不高。此時甘氨酸的作用是提高樣品凍幹過程的塌陷溫度，同時在凍幹製品貯存過程中也有利於(yu) 抑製蔗糖的結品，增加製品的穩定性。

2.凍結方式

凍結方式不同，產(chan) 生的冰品的形態和大小就不同，而且會(hui) 影響後繼的幹燥速率和凍幹藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為(wei) 全域過冷結晶和定向結晶兩(liang) 類。全域過冷結晶是指全部藥液處於(yu) 相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。全域過冷結晶可分為(wei) 慢速凍結和快速凍結兩(liang) 類，其中快速凍結的冰晶細小，沒有凍結濃縮現象，但是存在不完1全凍結現象，完1全凍結現象，且升華速率低，解吸速率快;而慢速冷卻產(chan) 生較大的冰晶，存在凍結濃縮的現象，但升華速率快，解吸速率慢。全域過冷結晶受冰晶成核溫度的影響較大。因為(wei) 冰晶成核溫度的隨機性導致升華幹燥速率的不均勻性，並對與(yu) 形態相關(guan) 的參數如凍幹藥品表麵積和解吸幹燥速率產(chan) 生影響。

定向結晶是指一小部分藥液處於(yu) 過冷狀態下進行凍結的方式。一種是垂直凍結方式，即溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用幹冰冷卻，形成晶核，然後放到-50℃的擱板上凍結。用這種方式凍結的樣品的冰晶在垂直方向呈煙囪狀，在藥品表麵沒有凍結濃縮層，而且整個(ge) 藥品的結構均一性很好，因此在幹燥時的傳(chuan) 質阻力很小，加快了凍幹速率。Martin Kramer等采用了另外一種方式實現了定向凍結即在真空室壓力為(wei) 0.1kPa，擱板溫度為(wei) +10℃的條件下，讓溶液開始表麵凍結，形成1~3mm左右的冰晶薄層;然後解除真空，降低擱板溫度到結晶溫度以下進行凍結。在這種條件下長成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時升華幹燥時間比采用一般凍結的時間節省了20%。分析凍幹藥品時還發現:對甘露醇，采用這種方式凍結的凍幹品的剩餘(yu) 含水量比采用一般凍結的要多;但對蔗糖和甘氨酸，兩(liang) 者差別不大。

凍結方式不同，產(chan) 生的冰晶形態和大小就不同，後續的幹燥速率也不同。實驗證明，采用定向結晶方式的凍結藥品的幹燥速率比全域過冷結晶的快。但是無論采用哪種凍結方式，藥品溶液必須部分或全部實現玻璃化凍結，以保護藥品藥性。通常采用全域過冷結晶方式的較常見。

3.退火

當藥液的完1全凍結是獲得優(you) 質凍幹製品的重要條件，但一些藥液尤其在含有有機溶劑的複合溶劑體(ti) 係，凍幹保護劑常會(hui) 影響到有機溶媒的凍結。退火過程可強化結晶，提高非晶相凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度T_g，改變冰晶形態和大小分布，提高幹燥效率。所以在升華幹燥前引入退火操作可提高幹燥效率和製品品質。

為(wei) 了達到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時間等參數。但是目前由於(yu) 實驗手段不夠先進和理論知識比較缺乏，退火機理尚有疑問，退火參數的選取仍然沒有依據。

4.最1低凍結溫度

最1低凍結溫度與(yu) 樣品的共熔點有關(guan) ，一般安全的凍結溫度低於(yu) 共熔點10℃左右。權國波等試驗考察了預凍溫度(-20℃，-35℃，-45℃，-80℃或-196℃)對紅細胞凍幹的影響，結果顯示預凍溫度並不是越低越好，隻要溫度等於(yu) 或低於(yu) 體(ti) 係的固化溫度即可。但預凍溫度過高，會(hui) 導致預凍時間過長，影響細胞的存活，所以此時應適當降低預凍溫度。

通常凍幹機的擱板溫度遠元高於(yu) 預凍溫度。如果預凍溫度很低，那麽(me) 當樣品從(cong) 改溫度下移入凍幹機擱板時，溫度上升幅度很大，有明顯的複溫現象。這可能會(hui) 造成樣品二次結晶，從(cong) 而對細胞造成機械損傷(shang) 。如果預凍溫度較高，由於(yu) 降溫速率相應降低，滲透性保護劑可以充分進入細胞內(nei) ，而最近研究認為(wei) 良性內(nei) 源冰晶可以通過防止細胞脫水增加細胞對冷凍物害的耐受性，而且由於(yu) 預凍溫度和擱板溫度之間的溫差變小，紅細胞可免受複溫所造成的傷(shang) 害。

5、凍結時間

應確保抽真空1前所有祥品均已凍實，一般在達到最1低度後再保持2-3h。

(二) 幹燥

藥品冷凍幹燥的幹燥過程可以分為(wei) 一次幹燥和二次幹燥兩(liang) 個(ge) 階段,在一次幹燥階段除去自由水，在二次幹燥階段除去部分結合水。目前，提高幹燥速率的方法主要有控製擱板和藥品溫度、冷阱溫度和真空度等。

1. 控製藥品溫度，包括控製凍結層和已幹層的溫度，主要由控製隔板溫度來實現。控製凍結層溫度的原則是在保證凍結層不發生熔化(低於(yu) 低共晶點溫度)的前提下，溫度越高越好;控製已幹層溫度的原則是在不使物料變性或已幹層結構崩塌的前提下，盡量采用較高的幹燥溫度。隔板溫度還會(hui) 影響凍幹製品的生物學性質，如Rindler等采用羥1乙1基澱粉(HES)和麥芽糖作為(wei) 保護劑研究凍幹機擱板溫度對凍幹紅細的影響。擱板溫度為(wei) -35℃時，溶血率最1低;但當溫度高於(yu) 或低於(yu) -35℃時，溶血率上升。

2. 控製冷阱溫度

製品和冷阱間的溫差是水升華的驅動力。由於(yu) 藥品溫度受加熱方式的限製，且不能高於(yu) 共熔溫度，因此冷阱溫度越低越好，一般應至少低於(yu) 製品溫度20℃。若凍幹產(chan) 品要求很低的含水量，在解吸幹燥過程中，冷阱溫度要求更低。

3.真空度

凍幹箱內(nei) 壓力的升高對凍幹過程一般有正反兩(liang) 方麵的影響:一方麵調板通過氣體(ti) 對流途徑對製品的傳(chuan) 熱能力提高，使升華界麵溫度及其升華速率也升高；另一方麵引起水蒸氣遷移勢差減小，反而使升華速率也減小。另外，幹燥速率也與(yu) 溫度所對應的飽和蒸汽壓與(yu) 凍幹箱內(nei) 的真空度之差相關(guan) 。壓差大，有助於(yu) 水汽逸出;壓差越小，逸出越慢，幹燥速率也越小。如果冷凍幹燥是傳(chuan) 熱控製過程，則幹燥速率隨著幹燥箱壓力升高而降低。

一般升華幹燥階段的真空度在10~30Pa時，既有利於(yu) 熱量的傳(chuan) 遞，又利於(yu) 升華的進行。根據真空度對凍幹速率的影響，采用循環壓力法可獲得較理想的凍幹效果。

由於(yu) 藥品組成等性質不同，凍幹曲線也不同，在實際的藥品冷凍幹燥生產(chan) 中，應通過試驗優(you) 化凍幹曲線，提高幹燥速率，降低能耗。