冷凍干燥技術用于生物制藥的研究進展

曹筑榮，賀麗清

(第四軍醫大學藥學系生物技術中心，陜西 西安 710032)

梁 鈴

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434023)

冷凍干燥技術用于生物制藥的研究進展

曹筑榮，賀麗清

(第四軍醫大學藥學系生物技術中心，陜西 西安 710032)

梁 鈴

(長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434023)

相對于傳統的干燥技術，冷凍干燥法更適合于生物制品的制劑生產。綜述了冷凍干燥技術的發展歷史，介紹了冷凍干燥技術的原理及過程控制，并總結了冷凍干燥技術的優缺點。

冷凍干燥；生物制藥；醫藥

1 冷凍干燥技術的歷史

冷凍干燥技術(vacuum freeze dry)簡稱凍干,是指在低溫下將藥品溶液凍結，然后在真空條件下升華干燥，除去冰晶(祛除水分)，升華結束后再進行解吸(解析)干燥，除去部分結合水的方法[1]。該方法由于在低溫及真空狀態下完成對制品的脫水干燥,因而成為醫學生物制品中首選的干燥保存方法。

早在1813年,英國的華萊斯頓( Wol-laston )發明了真空冷凍干燥技術； 1890年Altman在制作顯微鏡下觀察的組織和細胞切片時，為了保持原來的成分又不使樣品變形，使用了該技術，從而創建了生物制品的冷凍干燥技術；1909年沙克爾(Shackell)用凍干技術對抗毒素、菌種、狂犬病毒及其他生物制品進行了凍干保存,目的是使制品易于儲藏并且避免蛋白樣品的高溫變性；1935年,凍干技術引起了各國學者的重視,學者們改進了凍干技術,首次在凍干過程中采用強制加熱,加快了凍干過程；1940年,軍隊采用該項技術來保存青霉素及血漿，推動了該項技術的應用。二戰之后凍干技術應用于商業生產,如凍干菌種、培養基、荷爾蒙、維生素、人血漿及藥品等,使真空冷凍干燥技術開始真正應用于醫藥生物工業中。1950年代后,各種形式的冷凍干燥設備相繼出現,技術進一步得到提高[2]。

從國家藥品監督管理局數據庫得知，目前國內已有注射用重組人粒細胞巨噬細胞集落刺激因子、注射用重組人干擾素α2b、凍干鼠表皮生長因子、外用凍干重組人表皮生長因子、注射用重組鏈激酶、注射用重組人白介素-2、注射用重組人生長激素、注射用A群鏈球菌、注射用重組人干擾素α2b、凍干人凝血因子VⅢ、凍干人纖維蛋白原、間苯三酚口服凍干片等凍干藥品獲準上市。

2 冷凍干燥技術原理及過程

冷凍干燥是通過(低溫)升華從凍結的生物產品中去掉水分或其他溶劑的過程。水有3種聚合態(又稱相態),即固態、液態和氣態,這3種相態之間達到平衡時必有一定的條件,這種條件稱為相平衡關系。在水發生相變的過程中,當壓力低于3相點的壓力時,固態冰可直接轉化為氣態的水蒸氣,這就是真空冷凍干燥原理的物理學基礎。冷凍干燥時,通常采用的真空度約為相應溫度下的飽和蒸汽壓的1/2～1/4。

圖1 水的相平衡圖Figure 1 Physical state of water

藥品冷凍干燥一般分3步進行,即預凍結、升華干燥(或稱第一階段干燥)、解析干燥(或稱第二階段干燥)[3]。

2.1 產品的預凍

預凍是為了固定產品,以便產品在高真空條件下干燥，并使成品具有與干燥前相同的形狀。預凍至關重要，眾多產品的成型問題、質量問題都是預凍條件控制不當造成的。預凍與溫度、時間、真空度(實際操作中，一般預凍時不考慮真空度)都有密不可分的關系。

(1)預凍的溫度 合適的預凍溫度是凍結點(共熔點溫度)以下、5 ℃以內或共晶溫度以下10～15 ℃,此(共晶點)溫度可以從凍干曲線上看出,降溫時制品溫度的跳點即為該溫度。預凍的溫度過高或者過低對凍干的結果都會具有影響。溫度過高產品沒有完全凍結,抽真空時會引起起泡、收縮、濃縮、噴瓶等不可逆變化的發生,不僅影響產品外觀,更有可能造成凍干失敗;溫度過低不僅造成資源浪費,而且還會影響產品成型。

(2)預凍的真空度 產品降溫階段,由于板層溫度始終低于制品溫度,此溫差引起壓力梯度,導致產品中的水分不抽真空也會升華,在實際生產中,此時的升華所致的干燥層大多會阻礙以后的升華,使產品發生起皮、萎縮、分層等現象,嚴重時會造成凍干失敗。在產品入凍干柜后充入一定量的惰性氣體,使箱內成正壓而減輕預凍階段產品的升華可解決此問題。

(3)預凍的時間 由于傳熱的滯后性導致溫度的不均,為了使整批產品處于同一環境下,產品降到凍結溫度時需要保溫一定時間,以便產品完全凍牢。預凍的時間視產品裝量、板層面積、傳熱介質的性質而定,一般0.5～2.0 h可完全凍結[4]。

2.2 產品的升華干燥

升華干燥是冷凍干燥的主要過程,其目的是將物料中的冰通過升華而逸出。升華有2個基本條件:一是保證冰不溶化;二是冰周圍的水蒸汽必須低于物料凍結點的飽和蒸汽壓。因此要求在升華干燥時一方面要將形成的水蒸氣抽走,使干燥箱內壓力低于要求的飽和蒸汽壓,另一方面要連續不斷地提供維持升華所需的熱量,加快干燥速度。這便需要對壓力和隔板溫度進行優化控制,以保證升華干燥能快速、低耗的完成。影響此過程的因素主要為溫度和壓強[5]。

(1)升華干燥時的溫度 一般情況下升華階段的溫度應設定在共熔點以下,且越接近共熔點,升華速度越快。但在具體生產中，應該視產品的實際情況而定。對一些性質穩定、容易成型或加甘露醇等輔料比例較大的產品可以將溫度一次升到允許的最高溫度,升溫時間可相應設置較長一些,雖然導熱媒溫度高于制品共熔點,但在一定真空條件下,開始時的熱量都用于產品中水分的升華,而產品本身的溫度并不會升高,因此并不會造成凍干失敗,同時可以方便操作及縮短生產周期。對于產品性狀不穩定、較難生產或正在工藝摸索中的產品凍干,建議溫度設定在在共熔點以下2～5 ℃升華，并進行階梯式升溫干燥,這樣不僅安全有效,而且有利于觀察各溫度段產品的變化情況,進而完善凍干工藝。

(2)升華干燥時的真空度 從理論上講,壓強越低(即真空度越高),越利于升華。但實際操作中,在一定真空范圍內更有利于產品升華。這主要是因為真空度對熱量的傳遞和水分子的擴散均產生重要影響：真空度過低,導致升華速率明顯下降;真空度過高,由于熱對流傳導太差,反而會使凍干速率下降。合適的真空度是縮生產周期和保證產品質量的前提,因此升華干燥階段進行壓強控制是十分必要的,且一般控制為15～30 Pa,該范圍可將凍干周期縮短至原來的1/2～2/3。

2.3 產品的解析干燥

物料中所有的冰晶升華干燥后,物料內留下許多空穴,但物料的基質內還留有殘余的未凍結水分質量分數在10%左右,解析干燥就是要把殘余的未凍結水分降低,使其質量分數達到2%左右,最終得到干燥物料。該階段的最高溫度視產品性質及成品要求的含水量而定。為使含水量符合要求,可適當提高溫度(但以不破壞產品的生物活性為宜),一般控制為25～30 ℃。再干燥階段的壓強需適當調高,這樣利于制品傳熱,加快升溫速度。當制品溫度完全達到導熱媒設定的溫度時再恢復高真空,此時壓力控制的關鍵是恢復高真空的時間,這樣可加快升華速度,縮短干燥時間。

3 冷凍干燥技術的優缺點

藥品的傳統干燥方式有常壓干燥、噴霧干燥、減壓干燥、微波干燥等。相對于傳統干燥工藝，冷凍干燥有著以下幾點優點[6]：

⑴傳統干燥會引起材料皺縮,細胞破壞,但在冷凍干燥的過程中樣品的結構不會被破壞,因為固體成分被在其位置上的堅冰支持著,在冰升華時會留下孔隙在干燥的剩余物質里。這樣就保留了產品的生物和化學結構及其活性的完整性；

⑵蛋白多肽類藥物在高溫下容易變性，造成干燥后生物活性的降低；冷凍干燥的過程是在低溫狀態下進行的，工藝過程對組分的破壞程度小，熱畸變極其微弱,對不耐熱藥物特別是蛋白質多肽類藥品非常適合；

⑶冷凍干燥的藥劑為液體,定量分裝比粉劑或片劑精度高;用無菌水溶液調配且通過除菌過濾、灌裝,雜質微粒小、無污染。制品為多孔結構,質地疏松,較脆,復水性能好,重復再溶解迅速完全,便于臨床使用;

⑷凍結物干燥前后形狀及體積不變化；干燥后真空密封或充氮密封,消除了氧化組分的氧化作用。

當然，冷凍干燥也存在著缺點：設備造價高;工藝時間長(典型的干燥過程周期需要20 h左右)；生產成本高;能源消耗大;工藝控制的要求高。

[1]范碧亭.中藥藥劑學[M].上海：上海科學技術出版社，1998.138.

[2]董充慧，蘇 杭，張特立，等.真空冷凍干燥技術在生物制藥方面的應用[J].沈陽藥科大學學報，2009，26(增刊)：76～78.

[3]朱傳江.冷凍干燥工藝原理及相關設備裝置[J].齊魯藥事，2006，25(8):503～504.

[4]宋立巖.淺談藥品的冷凍干燥技術[J].民營科技，2009,(10):98.

[5]姚明春.藥品冷凍干燥技術的研究[J].中國醫藥導報，2007,4(36):245～246.

[6]許敦復,鄭效東.冷凍干燥技術與凍干機[M].北京:化學工業出版社，2005.1～2.

2010-04-16

曹筑榮(1982-)，男，湖南祈東人，工學碩士，助教，主要研究方向為生物信息學和生物技術制藥.

梁 鈴，E-mail:llagg@126.com.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.02.022

Q819

A

1673-1409(2010)02-S076-03