冻干小课堂|药品冻干工艺及优化

由于药品冷冻干燥过程会产生多种应力，对冻干药品的药性有很大的影响，因此对药品冷冻干燥过程进行合理设计，对于减少冻干损伤和提高冻干药品的质量有重大的意义。

生物样品的冻干需考虑三方面问题，一是如何保证冻干过程的顺利进行;二是如何减少冻干过程对生物药品药效的影响;三是如何降低生物药品冻干过程的能耗。

(一)冻结研究

冷冻干燥过程中的冻结过程非常重要，因为在冻结中形成的冰晶形态和大小以及玻璃化程度不仅影响后续的干燥速率，而且影响冻干药品的质量。因此在冻结过中必须考虑配方、冻结速率、冻结方式、以及是否退火等问题。

1.配方的影响

配方中的固体含量会影响冻结和干燥过程。如果固体含量少于2%，会影响冻干药品结构的机械性能。尤其在干燥过程中，若药品微粒不能粘在基质上，逸出的水蒸气会把这些微粒带到小瓶的塞子上，有时甚至会带到真空室当中。固含量也不能太大，太大可能影响配制过程(如溶解性)和产品的复溶性等。

另外，浓度较高的蛋白溶液冻干后稳定性相对较好，因为高浓度时，冰界面处的蛋白处于饱和状态，蛋白结构链伸展较少。也可加入适量表面活性剂，竞争冰界面处的蛋白位置，而减少冰晶和蛋白间的界面面积。

较理想的冻干蛋白质药品应均匀一致、表面光滑、性质稳定。一般配方中必须含有填充剂、赋形剂、稳定剂等保护剂，蔗糖、甘露醇、白蛋白等糖类或多元醇经常被用于冻结和冻干过程中非特定蛋白质的保护剂，它们既是有效的低温保护剂又是很好的冻干保护剂，它们对冻结的影响取决于种类和浓度。如果用蔗糖和甘氨酸适当比例作为乳酸脱氢酶的冻干保护剂，可获得较好的保护效果，而单独采用甘氨酸时冻干后乳酸脱氢酶的活性不高。此时甘氨酸的作用是提高样品冻干过程的塌陷温度，同时在冻干制品贮存过程中也有利于抑制蔗糖的结品，增加制品的稳定性。

2.冻结方式

冻结方式不同，产生的冰品的形态和大小就不同，而且会影响后继的干燥速率和冻干药品质量。根据冻结机理，可以把冻结分为全域过冷结晶和定向结晶两类。全域过冷结晶是指全部药液处于相同或相近的过冷度下进行冻结的方式。在全域过冷结晶中，冻结速率和冰晶成核温度是重要的参数。全域过冷结晶可分为慢速冻结和快速冻结两类，其中快速冻结的冰晶细小，没有冻结浓缩现象，但是存在不完1全冻结现象，完1全冻结现象，且升华速率低，解吸速率快;而慢速冷却产生较大的冰晶，存在冻结浓缩的现象，但升华速率快，解吸速率慢。全域过冷结晶受冰晶成核温度的影响较大。因为冰晶成核温度的随机性导致升华干燥速率的不均匀性，并对与形态相关的参数如冻干药品表面积和解吸干燥速率产生影响。

定向结晶是指一小部分药液处于过冷状态下进行冻结的方式。一种是垂直冻结方式，即溶液用湿冰冷却，在瓶子底部用干冰冷却，形成晶核，然后放到-50℃的搁板上冻结。用这种方式冻结的样品的冰晶在垂直方向呈烟囱状，在药品表面没有冻结浓缩层，而且整个药品的结构均一性很好，因此在干燥时的传质阻力很小，加快了冻干速率。Martin Kramer等采用了另外一种方式实现了定向冻结即在真空室压力为0.1kPa，搁板温度为+10℃的条件下，让溶液开始表面冻结，形成1~3mm左右的冰晶薄层;然后解除真空，降低搁板温度到结晶温度以下进行冻结。在这种条件下长成的冰晶粗大，也呈烟囱状。同时升华干燥时间比采用一般冻结的时间节省了20%。分析冻干药品时还发现:对甘露醇，采用这种方式冻结的冻干品的剩余含水量比采用一般冻结的要多;但对蔗糖和甘氨酸，两者差别不大。

冻结方式不同，产生的冰晶形态和大小就不同，后续的干燥速率也不同。实验证明，采用定向结晶方式的冻结药品的干燥速率比全域过冷结晶的快。但是无论采用哪种冻结方式，药品溶液必须部分或全部实现玻璃化冻结，以保护药品药性。通常采用全域过冷结晶方式的较常见。

3.退火

当药液的完1全冻结是获得优质冻干制品的重要条件，但一些药液尤其在含有有机溶剂的复合溶剂体系，冻干保护剂常会影响到有机溶媒的冻结。退火过程可强化结晶，提高非晶相冻结浓缩液的玻璃化转变温度T_g，改变冰晶形态和大小分布，提高干燥效率。所以在升华干燥前引入退火操作可提高干燥效率和制品品质。

为了达到退火目的，在退火操作中，必须考虑加热速率、退火温度、退火时间等参数。但是目前由于实验手段不够先进和理论知识比较缺乏，退火机理尚有疑问，退火参数的选取仍然没有依据。

4.最1低冻结温度

最1低冻结温度与样品的共熔点有关，一般安全的冻结温度低于共熔点10℃左右。权国波等试验考察了预冻温度(-20℃，-35℃，-45℃，-80℃或-196℃)对红细胞冻干的影响，结果显示预冻温度并不是越低越好，只要温度等于或低于体系的固化温度即可。但预冻温度过高，会导致预冻时间过长，影响细胞的存活，所以此时应适当降低预冻温度。

通常冻干机的搁板温度远元高于预冻温度。如果预冻温度很低，那么当样品从改温度下移入冻干机搁板时，温度上升幅度很大，有明显的复温现象。这可能会造成样品二次结晶，从而对细胞造成机械损伤。如果预冻温度较高，由于降温速率相应降低，渗透性保护剂可以充分进入细胞内，而最近研究认为良性内源冰晶可以通过防止细胞脱水增加细胞对冷冻物害的耐受性，而且由于预冻温度和搁板温度之间的温差变小，红细胞可免受复温所造成的伤害。

5、冻结时间

应确保抽真空1前所有祥品均已冻实，一般在达到最1低度后再保持2-3h。

(二) 干燥

药品冷冻干燥的干燥过程可以分为一次干燥和二次干燥两个阶段,在一次干燥阶段除去自由水，在二次干燥阶段除去部分结合水。目前，提高干燥速率的方法主要有控制搁板和药品温度、冷阱温度和真空度等。

1. 控制药品温度，包括控制冻结层和已干层的温度，主要由控制隔板温度来实现。控制冻结层温度的原则是在保证冻结层不发生熔化(低于低共晶点温度)的前提下，温度越高越好;控制已干层温度的原则是在不使物料变性或已干层结构崩塌的前提下，尽量采用较高的干燥温度。隔板温度还会影响冻干制品的生物学性质，如Rindler等采用羟1乙1基淀粉(HES)和麦芽糖作为保护剂研究冻干机搁板温度对冻干红细的影响。搁板温度为-35℃时，溶血率最1低;但当温度高于或低于-35℃时，溶血率上升。

2. 控制冷阱温度

制品和冷阱间的温差是水升华的驱动力。由于药品温度受加热方式的限制，且不能高于共熔温度，因此冷阱温度越低越好，一般应至少低于制品温度20℃。若冻干产品要求很低的含水量，在解吸干燥过程中，冷阱温度要求更低。

3.真空度

冻干箱内压力的升高对冻干过程一般有正反两方面的影响:一方面调板通过气体对流途径对制品的传热能力提高，使升华界面温度及其升华速率也升高；另一方面引起水蒸气迁移势差减小，反而使升华速率也减小。另外，干燥速率也与温度所对应的饱和蒸汽压与冻干箱内的真空度之差相关。压差大，有助于水汽逸出;压差越小，逸出越慢，干燥速率也越小。如果冷冻干燥是传热控制过程，则干燥速率随着干燥箱压力升高而降低。

一般升华干燥阶段的真空度在10~30Pa时，既有利于热量的传递，又利于升华的进行。根据真空度对冻干速率的影响，采用循环压力法可获得较理想的冻干效果。

由于药品组成等性质不同，冻干曲线也不同，在实际的药品冷冻干燥生产中，应通过试验优化冻干曲线，提高干燥速率，降低能耗。