曹筑榮，賀麗清

(第四軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系生物技術(shù)中心，陜西 西安 710032)

梁 鈴

(長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

冷凍干燥技術(shù)用于生物制藥的研究進展

曹筑榮，賀麗清

(第四軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系生物技術(shù)中心，陜西 西安 710032)

梁 鈴

(長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

相對于傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，冷凍干燥法更適合于生物制品的制劑生產(chǎn)。綜述了冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展歷史，介紹了冷凍干燥技術(shù)的原理及過程控制，并總結(jié)了冷凍干燥技術(shù)的優(yōu)缺點。

冷凍干燥；生物制藥；醫(yī)藥

1 冷凍干燥技術(shù)的歷史

冷凍干燥技術(shù)(vacuum freeze dry)簡稱凍干,是指在低溫下將藥品溶液凍結(jié)，然后在真空條件下升華干燥，除去冰晶(祛除水分)，升華結(jié)束后再進行解吸(解析)干燥，除去部分結(jié)合水的方法[1]。該方法由于在低溫及真空狀態(tài)下完成對制品的脫水干燥,因而成為醫(yī)學(xué)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(fā)明了真空冷凍干燥技術(shù)； 1890年Altman在制作顯微鏡下觀察的組織和細(xì)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(shù)，從而創(chuàng)建了生物制品的冷凍干燥技術(shù)；1909年沙克爾(Shackell)用凍干技術(shù)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(shù)引起了各國學(xué)者的重視,學(xué)者們改進了凍干技術(shù),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(shù)來保存青霉素及血漿，推動了該項技術(shù)的應(yīng)用。二戰(zhàn)之后凍干技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn),如凍干菌種、培養(yǎng)基、荷爾蒙、維生素、人血漿及藥品等,使真空冷凍干燥技術(shù)開始真正應(yīng)用于醫(yī)藥生物工業(yè)中。1950年代后,各種形式的冷凍干燥設(shè)備相繼出現(xiàn),技術(shù)進一步得到提高[2]。

從國家藥品監(jiān)督管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫得知，目前國內(nèi)已有注射用重組人粒細(xì)胞巨噬細(xì)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(zhǔn)上市。

2 冷凍干燥技術(shù)原理及過程

冷凍干燥是通過(低溫)升華從凍結(jié)的生物產(chǎn)品中去掉水分或其他溶劑的過程。水有3種聚合態(tài)(又稱相態(tài)),即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),這3種相態(tài)之間達到平衡時必有一定的條件,這種條件稱為相平衡關(guān)系。在水發(fā)生相變的過程中,當(dāng)壓力低于3相點的壓力時,固態(tài)冰可直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的水蒸氣,這就是真空冷凍干燥原理的物理學(xué)基礎(chǔ)。冷凍干燥時,通常采用的真空度約為相應(yīng)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(yù)凍結(jié)、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(chǎn)品的預(yù)凍

預(yù)凍是為了固定產(chǎn)品,以便產(chǎn)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(yù)凍至關(guān)重要，眾多產(chǎn)品的成型問題、質(zhì)量問題都是預(yù)凍條件控制不當(dāng)造成的。預(yù)凍與溫度、時間、真空度(實際操作中，一般預(yù)凍時不考慮真空度)都有密不可分的關(guān)系。

(1)預(yù)凍的溫度 合適的預(yù)凍溫度是凍結(jié)點(共熔點溫度)以下、5 ℃以內(nèi)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(yù)凍的溫度過高或者過低對凍干的結(jié)果都會具有影響。溫度過高產(chǎn)品沒有完全凍結(jié),抽真空時會引起起泡、收縮、濃縮、噴瓶等不可逆變化的發(fā)生,不僅影響產(chǎn)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(chǎn)品成型。

(2)預(yù)凍的真空度 產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)品中的水分不抽真空也會升華,在實際生產(chǎn)中,此時的升華所致的干燥層大多會阻礙以后的升華,使產(chǎn)品發(fā)生起皮、萎縮、分層等現(xiàn)象,嚴(yán)重時會造成凍干失敗。在產(chǎn)品入凍干柜后充入一定量的惰性氣體,使箱內(nèi)成正壓而減輕預(yù)凍階段產(chǎn)品的升華可解決此問題。

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

2.2 產(chǎn)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(jié)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(nèi)壓力低于要求的飽和蒸汽壓,另一方面要連續(xù)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(yōu)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(yīng)設(shè)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(chǎn)中，應(yīng)該視產(chǎn)品的實際情況而定。對一些性質(zhì)穩(wěn)定、容易成型或加甘露醇等輔料比例較大的產(chǎn)品可以將溫度一次升到允許的最高溫度,升溫時間可相應(yīng)設(shè)置較長一些,雖然導(dǎo)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(chǎn)品中水分的升華,而產(chǎn)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(chǎn)周期。對于產(chǎn)品性狀不穩(wěn)定、較難生產(chǎn)或正在工藝摸索中的產(chǎn)品凍干,建議溫度設(shè)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(chǎn)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(nèi)更有利于產(chǎn)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(chǎn)生重要影響：真空度過低,導(dǎo)致升華速率明顯下降;真空度過高,由于熱對流傳導(dǎo)太差,反而會使凍干速率下降。合適的真空度是縮生產(chǎn)周期和保證產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品的解析干燥

物料中所有的冰晶升華干燥后,物料內(nèi)留下許多空穴,但物料的基質(zhì)內(nèi)還留有殘余的未凍結(jié)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%左右,解析干燥就是要把殘余的未凍結(jié)水分降低,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到2%左右,最終得到干燥物料。該階段的最高溫度視產(chǎn)品性質(zhì)及成品要求的含水量而定。為使含水量符合要求,可適當(dāng)提高溫度(但以不破壞產(chǎn)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(dāng)調(diào)高,這樣利于制品傳熱,加快升溫速度。當(dāng)制品溫度完全達到導(dǎo)熱媒設(shè)定的溫度時再恢復(fù)高真空,此時壓力控制的關(guān)鍵是恢復(fù)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(shù)的優(yōu)缺點

藥品的傳統(tǒng)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(tǒng)干燥工藝，冷凍干燥有著以下幾點優(yōu)點[6]：

⑴傳統(tǒng)干燥會引起材料皺縮,細(xì)胞破壞,但在冷凍干燥的過程中樣品的結(jié)構(gòu)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(zhì)里。這樣就保留了產(chǎn)品的生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)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(tài)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(zhì)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(diào)配且通過除菌過濾、灌裝,雜質(zhì)微粒小、無污染。制品為多孔結(jié)構(gòu),質(zhì)地疏松,較脆,復(fù)水性能好,重復(fù)再溶解迅速完全,便于臨床使用;

⑷凍結(jié)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(dāng)然，冷凍干燥也存在著缺點：設(shè)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(chǎn)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(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1998.138.

[2]董充慧，蘇 杭，張?zhí)亓?，?真空冷凍干燥技術(shù)在生物制藥方面的應(yīng)用[J].沈陽藥科大學(xué)學(xué)報，2009，26(增刊)：76～78.

[3]朱傳江.冷凍干燥工藝原理及相關(guān)設(shè)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(shù)[J].民營科技，2009,(10):98.

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

[6]許敦復(fù),鄭效東.冷凍干燥技術(shù)與凍干機[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.1～2.

2010-04-16

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