當(dāng)凍干工藝放大過程中遭遇過冷度難題，該如何解決？

1、預(yù)凍及成核

凍干過程分為三個(gè)主要階段：

● 預(yù)凍

● 主干燥（一次干燥）

● 次級干燥（二次干燥）

預(yù)凍階段主要是樣品中的溶劑（多數(shù)情況下是水）凝固，形成冰，從溶質(zhì)中分離出來；主干燥階段主要是將預(yù)凍階段形成的冰通過升華的方式去除，也是整個(gè)凍干過程中最 長的一個(gè)階段；次級干燥是利用擴(kuò)散和解吸附的原理進(jìn)一步去除未凍結(jié)的水分。

第 一 步的預(yù)凍盡管時(shí)間相對來說不是很長，但是很關(guān)鍵，因?yàn)椋?/span>

1. 它決定了樣品的形態(tài)，進(jìn)而決定一次干燥和二次干燥產(chǎn)品的性能；

2. 極大地影響產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)（如成分的結(jié)晶）；

3. 對API施加了不穩(wěn)定的應(yīng)力（如冷凍濃縮影響）。

預(yù)凍過程中產(chǎn)品溫度隨時(shí)間的變化，如圖1：

圖1：預(yù)凍過程產(chǎn)品溫度隨時(shí)間變化圖

1--層板進(jìn)口溫度（降溫速率0.5℃/min）

2--成核之前樣品溫度（降溫速率約0.3℃/min）

3--成核溫度Tn: 初次形成冰核的溫度

4-平衡凝固點(diǎn)Tf

* Tn和Tf之間樣品處于過冷狀態(tài)

Q：液體的水是如何變?yōu)楣腆w的冰？

1. 一次成核：最初的晶核出現(xiàn)在超過臨界尺寸的分子團(tuán)簇中；

2. 二次成核：冰核向冰晶的生長（“結(jié)晶”）；結(jié)晶的放熱事件停止了二次成核；

3. 最終固化：通過層板冷卻的小瓶底部向頂部行進(jìn)，是一個(gè)緩慢的過程，熱量必須通過已經(jīng)固化的基質(zhì)和小瓶的底部傳遞到層板，當(dāng)繼續(xù)冷凍濃縮，直到達(dá)到Tg’，玻璃態(tài)的高粘度基質(zhì)阻止了水的進(jìn)一步結(jié)晶。

在這個(gè)過程中我們通常會面臨一個(gè)問題，一次成核是一個(gè)隨機(jī)和自發(fā)的過程，整個(gè)批次樣品的成核會發(fā)生在一定的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)（樣品成核溫度相差約9.1℃，全部成核經(jīng)歷的時(shí)間大約47min）（見圖2），這種不同跟樣品所處的環(huán)境條件以及降溫速率有關(guān)。

圖2：同一批次樣品成核溫度和時(shí)間關(guān)系圖

50 mg/mL Sucrose; 10 mL Vial; 3 mL Fill Volume

這種隨機(jī)的不受控制的自發(fā)過程會導(dǎo)致：

1. 同一批次中不同小瓶的成核溫度不同，最 終干燥產(chǎn)品性能的異質(zhì)性；

2. 實(shí)驗(yàn)室（非GMP）和無菌中試或生產(chǎn)規(guī)模之間成核溫度的批次可變性；

3. 兩種可變性都會影響產(chǎn)品和工藝性能；

4. 過程控制問題（一次干燥終點(diǎn)指示）；

5. 產(chǎn)品質(zhì)量面臨風(fēng)險(xiǎn)（一批產(chǎn)品中不同的初次干燥時(shí)間?。?/span>

6. 放大：成核溫度降低1°C（較低的過冷度），初級干燥時(shí)間縮短約3%。這種預(yù)凍行為的可變性是工藝放大化轉(zhuǎn)移面臨的一個(gè)嚴(yán)重的問題，通常我們可以通過退火來改善同一批次樣品的孔徑大小分布，來減少批次內(nèi)和批次之間冰晶形態(tài)的差異，提高樣品的均一性。退火是一種比較成熟并且已被普遍接受和認(rèn)可的用于凍干過程中改產(chǎn)產(chǎn)品均一性的一種方法，最 佳的退火溫度（在樣品的Tg’和Te之間）和時(shí)間（幾小時(shí)到6h不等）也需要根據(jù)不同的配方產(chǎn)品進(jìn)行摸索來決定，然而，退火也并不是適用于所有的樣品，有些時(shí)候，退火可能反而會起到不好的作用，如加劇產(chǎn)品的降解，因此需要對具體的工藝及儲存穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)的研究，退火也需要謹(jǐn)慎使用。

Q:那么是否有新的技術(shù)或方法能夠直接控制成核溫度來改善這種差異性呢？什么是控制？

A:控制就是要有使產(chǎn)品能夠在指 定的溫度和時(shí)間下完成成核的能力。

2、成核控制技術(shù)種類

針對目前存在的以上問題，科學(xué)家門研究出了各種不同的成核控制技術(shù)：

添加成核種子或小瓶預(yù)處理誘導(dǎo)成核

使用添加劑（例如碘化銀/丁香假單胞菌）或小瓶預(yù)處理（刻劃、刮擦或表面粗糙化）以產(chǎn)生額外的成核位點(diǎn)，從而促進(jìn)晶核的形成。

● 不適用于生產(chǎn)凍干腸外產(chǎn)品（無菌/顆粒物?。?/span>

● 沒有Tn的“控制”

● 只是提高了平均的成核溫度

電誘導(dǎo)成核

通過強(qiáng)電脈沖（U=3 kV）誘導(dǎo)成核；

需要一個(gè)與產(chǎn)品直接接觸的電極；

不能直接用于含有大量鹽（如NaCl）的溶液。

超聲波誘導(dǎo)成核

在過冷（亞穩(wěn)）系統(tǒng)中使用振動誘導(dǎo)成核（聲脈沖：10 ms，10–40 kHz）；

沒有大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)告。

真空誘導(dǎo)表面凍結(jié)成核

通過將腔室壓力降低至稍低于大氣壓（約1mbar），并在約-10℃下預(yù)先平衡液體產(chǎn)品來誘導(dǎo)表面凍結(jié)；

過度沸騰的風(fēng)險(xiǎn)（產(chǎn)品外觀損害、產(chǎn)品損失）。

冰霧誘導(dǎo)成核

將產(chǎn)品冷卻至低于Tf（例如-5℃）的所需成核溫度并平衡一定時(shí)間，然后降低腔室壓力至中等負(fù)壓（約50Torr），將冷氮?dú)庾⑷肭皇?，冰霧（微小冰晶）遷移到小瓶中誘導(dǎo)成核。冰霧成核的方法可用在實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)規(guī)模的凍干設(shè)備上，但是需要考慮無菌的問題，冰霧分布的均一性以及是否能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)成核。

加壓卸壓法誘導(dǎo)成核

采用加壓瞬間卸壓的方法，當(dāng)加壓到一定壓力，降低層板溫度至期望的成核溫度，維持一定時(shí)間，瞬間降壓的同時(shí)成核，壓力調(diào)節(jié)采用無菌的惰性氣體，無任何污染源引入到腔體中，在中試以及生產(chǎn)型凍干機(jī)上均可實(shí)現(xiàn)。

具體的機(jī)理，目前有幾種假說：

1. 產(chǎn)品腔體中的氣體在卸壓的過程中經(jīng)歷了膨脹會冷卻，冷卻的氣體接觸到亞穩(wěn)態(tài)的液體樣品表面，誘導(dǎo)成核；

2. 卸壓會引起樣品液體表面的局部蒸發(fā)，蒸發(fā)導(dǎo)致的冷卻誘導(dǎo)成核；

3. 突然的卸壓可能會產(chǎn)生壓力波或震動干擾，從而誘導(dǎo)成核；

這種方法可以使整批樣品在瞬間成核（幾秒的時(shí)間），形成高度均勻的冰晶尺寸，但是需要耐壓的產(chǎn)品腔才可以實(shí)現(xiàn)，并且價(jià)格昂貴。

各種成核技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，不管是哪種成核技術(shù)，應(yīng)用在制藥行業(yè)，首先需要維持產(chǎn)品的無菌性，系統(tǒng)的完整性，另外需要考慮其適用性、有效性，針對具體產(chǎn)品的價(jià)值性等。

3、成核控制技術(shù)案例分享

材料和方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>