冷冻干燥技术用于生物制药的研究进展

曹筑荣，贺丽清

(第四军医大学药学系生物技术中心，陕西 西安 710032)

梁 铃

(长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434023)

冷冻干燥技术用于生物制药的研究进展

曹筑荣，贺丽清

(第四军医大学药学系生物技术中心，陕西 西安 710032)

梁 铃

(长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434023)

相对于传统的干燥技术，冷冻干燥法更适合于生物制品的制剂生产。综述了冷冻干燥技术的发展历史，介绍了冷冻干燥技术的原理及过程控制，并总结了冷冻干燥技术的优缺点。

冷冻干燥；生物制药；医药

1 冷冻干燥技术的历史

冷冻干燥技术(vacuum freeze dry)简称冻干,是指在低温下将药品溶液冻结，然后在真空条件下升华干燥，除去冰晶(祛除水分)，升华结束后再进行解吸(解析)干燥，除去部分结合水的方法[1]。该方法由于在低温及真空状态下完成对制品的脱水干燥,因而成为医学生物制品中首选的干燥保存方法。

早在1813年,英国的华莱斯顿( Wol-laston )发明了真空冷冻干燥技术； 1890年Altman在制作显微镜下观察的组织和细胞切片时，为了保持原来的成分又不使样品变形，使用了该技术，从而创建了生物制品的冷冻干燥技术；1909年沙克尔(Shackell)用冻干技术对抗毒素、菌种、狂犬病毒及其他生物制品进行了冻干保存,目的是使制品易于储藏并且避免蛋白样品的高温变性；1935年,冻干技术引起了各国学者的重视,学者们改进了冻干技术,首次在冻干过程中采用强制加热,加快了冻干过程；1940年,军队采用该项技术来保存青霉素及血浆，推动了该项技术的应用。二战之后冻干技术应用于商业生产,如冻干菌种、培养基、荷尔蒙、维生素、人血浆及药品等,使真空冷冻干燥技术开始真正应用于医药生物工业中。1950年代后,各种形式的冷冻干燥设备相继出现,技术进一步得到提高[2]。

从国家药品监督管理局数据库得知，目前国内已有注射用重组人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、注射用重组人干扰素α2b、冻干鼠表皮生长因子、外用冻干重组人表皮生长因子、注射用重组链激酶、注射用重组人白介素-2、注射用重组人生长激素、注射用A群链球菌、注射用重组人干扰素α2b、冻干人凝血因子VⅢ、冻干人纤维蛋白原、间苯三酚口服冻干片等冻干药品获准上市。

2 冷冻干燥技术原理及过程

冷冻干燥是通过(低温)升华从冻结的生物产品中去掉水分或其他溶剂的过程。水有3种聚合态(又称相态),即固态、液态和气态,这3种相态之间达到平衡时必有一定的条件,这种条件称为相平衡关系。在水发生相变的过程中,当压力低于3相点的压力时,固态冰可直接转化为气态的水蒸气,这就是真空冷冻干燥原理的物理学基础。冷冻干燥时,通常采用的真空度约为相应温度下的饱和蒸汽压的1/2～1/4。

图1 水的相平衡图Figure 1 Physical state of water

药品冷冻干燥一般分3步进行,即预冻结、升华干燥(或称第一阶段干燥)、解析干燥(或称第二阶段干燥)[3]。

2.1 产品的预冻

预冻是为了固定产品,以便产品在高真空条件下干燥，并使成品具有与干燥前相同的形状。预冻至关重要，众多产品的成型问题、质量问题都是预冻条件控制不当造成的。预冻与温度、时间、真空度(实际操作中，一般预冻时不考虑真空度)都有密不可分的关系。

(1)预冻的温度 合适的预冻温度是冻结点(共熔点温度)以下、5 ℃以内或共晶温度以下10～15 ℃,此(共晶点)温度可以从冻干曲线上看出,降温时制品温度的跳点即为该温度。预冻的温度过高或者过低对冻干的结果都会具有影响。温度过高产品没有完全冻结,抽真空时会引起起泡、收缩、浓缩、喷瓶等不可逆变化的发生,不仅影响产品外观,更有可能造成冻干失败;温度过低不仅造成资源浪费,而且还会影响产品成型。

(2)预冻的真空度 产品降温阶段,由于板层温度始终低于制品温度,此温差引起压力梯度,导致产品中的水分不抽真空也会升华,在实际生产中,此时的升华所致的干燥层大多会阻碍以后的升华,使产品发生起皮、萎缩、分层等现象,严重时会造成冻干失败。在产品入冻干柜后充入一定量的惰性气体,使箱内成正压而减轻预冻阶段产品的升华可解决此问题。

(3)预冻的时间 由于传热的滞后性导致温度的不均,为了使整批产品处于同一环境下,产品降到冻结温度时需要保温一定时间,以便产品完全冻牢。预冻的时间视产品装量、板层面积、传热介质的性质而定,一般0.5～2.0 h可完全冻结[4]。

2.2 产品的升华干燥

升华干燥是冷冻干燥的主要过程,其目的是将物料中的冰通过升华而逸出。升华有2个基本条件:一是保证冰不溶化;二是冰周围的水蒸汽必须低于物料冻结点的饱和蒸汽压。因此要求在升华干燥时一方面要将形成的水蒸气抽走,使干燥箱内压力低于要求的饱和蒸汽压,另一方面要连续不断地提供维持升华所需的热量,加快干燥速度。这便需要对压力和隔板温度进行优化控制,以保证升华干燥能快速、低耗的完成。影响此过程的因素主要为温度和压强[5]。

(1)升华干燥时的温度 一般情况下升华阶段的温度应设定在共熔点以下,且越接近共熔点,升华速度越快。但在具体生产中，应该视产品的实际情况而定。对一些性质稳定、容易成型或加甘露醇等辅料比例较大的产品可以将温度一次升到允许的最高温度,升温时间可相应设置较长一些,虽然导热媒温度高于制品共熔点,但在一定真空条件下,开始时的热量都用于产品中水分的升华,而产品本身的温度并不会升高,因此并不会造成冻干失败,同时可以方便操作及缩短生产周期。对于产品性状不稳定、较难生产或正在工艺摸索中的产品冻干,建议温度设定在在共熔点以下2～5 ℃升华，并进行阶梯式升温干燥,这样不仅安全有效,而且有利于观察各温度段产品的变化情况,进而完善冻干工艺。

(2)升华干燥时的真空度 从理论上讲,压强越低(即真空度越高),越利于升华。但实际操作中,在一定真空范围内更有利于产品升华。这主要是因为真空度对热量的传递和水分子的扩散均产生重要影响：真空度过低,导致升华速率明显下降;真空度过高,由于热对流传导太差,反而会使冻干速率下降。合适的真空度是缩生产周期和保证产品质量的前提,因此升华干燥阶段进行压强控制是十分必要的,且一般控制为15～30 Pa,该范围可将冻干周期缩短至原来的1/2～2/3。

2.3 产品的解析干燥

物料中所有的冰晶升华干燥后,物料内留下许多空穴,但物料的基质内还留有残余的未冻结水分质量分数在10%左右,解析干燥就是要把残余的未冻结水分降低,使其质量分数达到2%左右,最终得到干燥物料。该阶段的最高温度视产品性质及成品要求的含水量而定。为使含水量符合要求,可适当提高温度(但以不破坏产品的生物活性为宜),一般控制为25～30 ℃。再干燥阶段的压强需适当调高,这样利于制品传热,加快升温速度。当制品温度完全达到导热媒设定的温度时再恢复高真空,此时压力控制的关键是恢复高真空的时间,这样可加快升华速度,缩短干燥时间。

3 冷冻干燥技术的优缺点

药品的传统干燥方式有常压干燥、喷雾干燥、减压干燥、微波干燥等。相对于传统干燥工艺，冷冻干燥有着以下几点优点[6]：

⑴传统干燥会引起材料皱缩,细胞破坏,但在冷冻干燥的过程中样品的结构不会被破坏,因为固体成分被在其位置上的坚冰支持着,在冰升华时会留下孔隙在干燥的剩余物质里。这样就保留了产品的生物和化学结构及其活性的完整性；

⑵蛋白多肽类药物在高温下容易变性，造成干燥后生物活性的降低；冷冻干燥的过程是在低温状态下进行的，工艺过程对组分的破坏程度小，热畸变极其微弱,对不耐热药物特别是蛋白质多肽类药品非常适合；

⑶冷冻干燥的药剂为液体,定量分装比粉剂或片剂精度高;用无菌水溶液调配且通过除菌过滤、灌装,杂质微粒小、无污染。制品为多孔结构,质地疏松,较脆,复水性能好,重复再溶解迅速完全,便于临床使用;

⑷冻结物干燥前后形状及体积不变化；干燥后真空密封或充氮密封,消除了氧化组分的氧化作用。

当然，冷冻干燥也存在着缺点：设备造价高;工艺时间长(典型的干燥过程周期需要20 h左右)；生产成本高;能源消耗大;工艺控制的要求高。

[1]范碧亭.中药药剂学[M].上海：上海科学技术出版社，1998.138.

[2]董充慧，苏 杭，张特立，等.真空冷冻干燥技术在生物制药方面的应用[J].沈阳药科大学学报，2009，26(增刊)：76～78.

[3]朱传江.冷冻干燥工艺原理及相关设备装置[J].齐鲁药事，2006，25(8):503～504.

[4]宋立岩.浅谈药品的冷冻干燥技术[J].民营科技，2009,(10):98.

[5]姚明春.药品冷冻干燥技术的研究[J].中国医药导报，2007,4(36):245～246.

[6]许敦复,郑效东.冷冻干燥技术与冻干机[M].北京:化学工业出版社，2005.1～2.

2010-04-16

曹筑荣(1982-)，男，湖南祈东人，工学硕士，助教，主要研究方向为生物信息学和生物技术制药.

梁 铃，E-mail:llagg@126.com.

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

Q819

A

1673-1409(2010)02-S076-03