蛋白質藥品冷凍干燥技術研究進展

　　1引言

　　由于凍干藥品呈多孔狀、能長時間穩(wěn)定貯存、并易重新復水而恢復活性，因此冷凍干燥技術廣泛應用于制備固體蛋白質藥物、口服速溶藥物及藥物包埋劑脂質體等藥品。從國家*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。截止2000年2月，美國FDA已批準的生物技術藥共計76個。

　　冷凍干燥技術zui早于1813年由英國人Wollaston發(fā)明。1909年Shsckell試驗用該方法對抗毒素、菌種、狂犬病毒及其它生物制品進行凍干保存，取得了較好效果。在第二次世界大戰(zhàn)中，對血液制品的大量需求大大刺激了冷凍干燥技術的發(fā)展，從此該技術進入了工業(yè)應用階段。此后，制冷和真空設備的飛速發(fā)展為快速發(fā)展冷凍干燥技術提供了強有力的物質條件。進入上個世紀的八九十年代，科學技術的迅猛發(fā)展和人民群眾對健康保障的需求為藥品冷凍干燥技術的飛速發(fā)展提供了強大的動力，在藥品凍干損傷和保護機理、藥品凍干工藝、藥品冷凍干燥機等方面取得了巨大的成績。但藥品冷凍干燥技術是一門邊緣學科，需要生物學、藥學、制冷、真空和控制等知識的交叉和綜合，因此仍存在亟待解決的問題。

　　2藥品冷凍干燥原理及特點

　　藥品冷凍干燥是指把藥品溶液在低溫下凍結，然后在真空條件下升華干燥，除去冰晶，待升華結束后再進行解吸干燥，除去部分結合水的干燥方法。該過程主要可分為：藥品準備、預凍、一次干燥（升華干燥）和二次干燥（解吸干燥）、密封保存等五個步驟。藥品按上述方法凍干后，可在室溫下避光長期貯存，需要使用時，加蒸餾水或生理鹽水制成懸浮液，即可恢復到凍干前的狀態(tài)。與其它干燥方法相比，藥品冷凍干燥法具有非常突出的優(yōu)點和特點：

　　a）藥液在凍結前分裝，劑量準確；

　　b）在低溫下干燥，能使被干燥藥品中的熱敏物質保留下來；

　　c）在低壓下干燥，被干燥藥品不易氧化變質，同時能因缺氧而滅菌或抑制某些細菌的活力；

　　d）凍結時被干燥藥品可形成"骨架"，干燥后能保持原形，形成多孔結構而且顏色基本不變；

　　e）復水性好，凍干藥品可迅速吸水還原成凍干前的狀態(tài)；

　　f）脫水*，適合長途運輸和長期保存。

　　雖然藥品冷凍干燥具有上述優(yōu)點，但是干燥速率低、干燥時間長、干燥過程能耗高和干燥設備投資大等仍是該技術的突出缺點。

　　3藥品凍干損傷和保護機理

　　藥品冷凍干燥是一個多步驟過程，會產生多種應力使藥品變性，如低溫應力、凍結應力和干燥應力。其中凍結應力又可分為枝狀冰晶的形成，離子濃度的增加，PH值的改變和相分離等情況。

　　因此，為了保護藥品的活性，通常在藥品配方中添加活性物質的保護劑。它需要具備四個特性：玻璃化轉變溫度高、吸水性差、結晶率低和不含還原基。

　　常用的保護劑有如下幾類物質：

　　a）糖類/多元醇：蔗糖、海藻糖、甘露醇、乳糖、葡萄糖、麥芽糖等；

　　b）聚合物：HES、PVP、PEG、葡聚糖、白蛋白等；

　　c）無水溶劑：乙烯乙二醇、甘油、DMSO、DMF等；

　　d）表面活性劑：Tween 80等；

　　e）氨基酸：L-絲氨酸、谷氨酸鈉、丙氨酸、甘氨酸、肌氨酸等；

　　f）鹽和胺：磷酸鹽、醋酸鹽、檸檬酸鹽等；

　　由于冷凍干燥過程存在多種應力損傷，因此保護劑保護藥品活性的機理也是不同的，可以分為低溫保護和凍干保護。

　　對于低溫保護，目前被廣為接受的液體狀態(tài)下蛋白質穩(wěn)定的機理之一是優(yōu)先作用原理。優(yōu)先作用是指蛋白質優(yōu)先與水或水溶液中的保護劑作用。在有起穩(wěn)定作用的保護劑存在的條件下，蛋白質優(yōu)先與水作用（優(yōu)先水合），而保護劑優(yōu)先被排斥在蛋白質區(qū)域外（優(yōu)先排斥）。在這種情況下，蛋白質表面就比其內部有較多的水分子和較少的保護劑分子。優(yōu)先作用原理同樣適用于冷凍-融解過程。蛋白質保護劑，在溶液中被從蛋白質表面排斥，在凍結過程中能夠穩(wěn)定蛋白質。但是優(yōu)先作用機理不能*解釋用聚合物或蛋白質自身在高濃度時保護蛋白質的現象。

　　在凍干過程中，由于蛋白質的水合層被除去，優(yōu)先作用機理不再適用。對于凍干保護機理，仍在研究探討之中，目前主要有兩種：

　　a）水替代假說。許多研究者認為由于蛋白質分子中存在大量氫鍵，結合水通過氫鍵與蛋白質分子聯結。當蛋白質在冷凍干燥過程中失去水分后，保護劑的羥基能替代蛋白質表面的水的羥基，使蛋白質表面形成一層假定的水化膜，這樣可保護氫鍵的聯結位置不直接暴露在周圍環(huán)境中，穩(wěn)定蛋白質的結構，防止蛋白質因凍干而變性，使其即使在低溫冷凍和干燥失水的情況下，仍保持蛋白質結構與功能的完整性。

　　b）玻璃態(tài)假說。研究者認為在含保護劑溶液的干燥過程中，當濃度足夠大且保護劑的結晶不會發(fā)生時，保護劑-水混合物就會玻璃化。研究發(fā)現在玻璃態(tài)下，物質兼有固體和流體的行為，粘度*，不容易形成結晶，且分子擴散系數很低，因而具有粘性的保護劑包圍在蛋白質分子的周圍，形成一種在結構上與玻璃狀的冰相似的碳水化合物玻璃體，使大分子物質的鏈鍛運動受阻，阻止蛋白質的伸展和沉淀，維持蛋白質分子三維結構的穩(wěn)定，從而起到保護作用。

　　目前大部分學者贊同"水替代假說"，因為可以通過實驗檢測到蛋白質和保護劑之間的氫鍵，為理論提供證據。事實上，無論是"水替代假說"還是"玻璃態(tài)假說"，它們的基礎都是基于藥液實現了部分或全部玻璃化凍結。

　　4凍干工藝及優(yōu)化

　　由于藥品冷凍干燥過程會產生多種應力，對凍干藥品的藥性有很大的影響，因此對藥品冷凍干燥過程進行合理設計，對于減少凍干損傷和提高凍干藥品的質量有重大的意義。

　　4.1凍結研究

　　冷凍干燥過程中的凍結過程非常重要，因為在凍結中形成的冰晶形態(tài)和大小以及玻璃化程度不僅影響后繼的干燥速率，而且影響凍干藥品的質量。因此在凍結過程中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。4.1.1配方的影響

　　配方中的固體含量會影響凍結和干燥過程。如果固體含量少于2%，那么凍干藥品結構的機械性能就會不穩(wěn)定。尤其在干燥過程中，藥品微粒不能粘在基質上，逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時甚至會帶到真空室當中。

　　此外，為了獲得均勻一致、表面光滑、穩(wěn)定的蛋白質藥品，配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩(wěn)定劑等保護劑，這些保護劑對實現藥品的玻璃化凍結有重大的影響。很多糖類或多元醇經常被用于溶液凍融和凍干過程中非特定蛋白質的穩(wěn)定劑，它們既是有效的低溫保護劑又是很好的凍干保護劑，它們對凍結的影響取決于種類和濃度。文獻[16～23]對不同的保護劑進行了詳盡的研究，探討了它們的凍結特性。文獻[4]還研究了其它保護劑的凍結特性。但是蛋白質種類很多，而且物理化學性質各異，因此不同的蛋白質需要不同的保護劑配方，因此它們的凍結特性就不同，一般需要實驗。

　　4.1.2凍結方式

　　凍結方式不同，產生的冰晶的形態(tài)和大小就不同，而且會影響后繼的干燥速率和凍干藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為全域過冷結晶和定向結晶兩類。

　　全域過冷結晶是指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。

　　全域過冷結晶按凍結速率的快慢可分為慢速凍結和快速凍結?？焖賰鼋Y的冰晶細小，而且沒有凍結濃縮現象，但是存在不*凍結現象。相反，慢速冷卻產生較大的冰晶，并且存在凍結濃縮的現象。Thomas W Patapoff等人發(fā)現如果把藥品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中（快速凍結），那么晶核首先在瓶壁產生，然后冰晶向中心擴散，再垂直向上擴散。由于長成的冰晶細小，而且有水平方向的結構，導致干燥階段的傳質阻力很大，升華速率降低。實驗證明，快速凍結導致升華速率低，解吸速率快，慢速凍結導致升華速率快，解吸速率慢。

　　James A Searles等人認為冰晶成核溫度是全域過冷結晶的重要因素，因為它是升華速率的主要決定因素。他們在研究中發(fā)現，冰晶成核溫度從本質上來說是隨機的、不穩(wěn)定的，不容易控制，但是受溶液中的微粒含量和是否存在冰晶成核體等影響因素。正是冰晶成核溫度的隨機性導致升華干燥速率的不均勻性以及與形態(tài)相關的參數，如凍干藥品表面積和解吸干燥速率。

　　定向結晶是指一小部分藥液處于過冷狀態(tài)下進行凍結的方式。Thomas W Patapoff介紹了一種垂直凍結方式。溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用干冰冷卻，形成晶核，然后放到-50℃的擱板上凍結。用這種方式凍結的樣品的冰晶在垂直方向呈現煙囪狀，在藥品表面沒有凍結濃縮層，而且整個藥品的結構均一性很好，因此在干燥時的傳質阻力很小，加快了凍干速率。Martin Kramer等人采用了另外一種方式實現了定向凍結。他們在真空室壓力為0.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開始表面凍結，形成1～3mm左右的冰晶薄層。然后解除真空，降低擱板溫度到結晶溫度以下進行凍結。在這種條件下長成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時在干燥階段發(fā)現，升華干燥時間比采用一般凍結的時間節(jié)省了20%。分析凍干藥品時還發(fā)現，對甘露醇，采用這種方式凍結的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結的要多；但對蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。H Schoof等人在凍干膠原質時也采用了定向結晶的方式。

　　凍結方式不同，產生的冰晶形態(tài)和大小就不同，后繼的干燥速率也不同。實驗證明，采用定向結晶方式的凍結藥品的干燥速率比全域過冷結晶的快。但是無論采用哪種凍結方式，藥品溶液必須部分或全部實現玻璃化凍結，以保護藥品藥性。

　　4.1.3退火

　　退火是指把凍結藥品溫度升到共熔溫度以下，保溫一段時間，然后再降低溫度到凍結溫度的過程。在升華干燥之前增加退火步驟，至少有三個原因：

　　a）強化結晶。在凍結過程特別是快速凍結過程中，配方中結晶成分往往來不及*結晶。但是如果該成分能為凍干藥品結構提供必要的支撐或者蛋白質在該成分*結晶后會更穩(wěn)定，那么就有必要*結晶。此外，凍結濃縮液中也會有一部分水來不及析出，使其達不到zui大濃縮狀態(tài)。實驗證明，當退火的溫度高于配方的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg’時，會促進再結晶的形成使結晶成分和未凍結水結晶*。

　　b）提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg’。從非晶相中除去Tg’較低的結晶成分，能夠提高非晶相的Tg’。Barry J Aldous在研究非晶態(tài)碳水化合物的水合物結晶規(guī)律時發(fā)現，經過退火之后的海藻糖干燥溶液的玻璃化轉變溫度由31℃上升到79℃，大大提高了穩(wěn)定作用。

　　c）改變冰晶形態(tài)和大小分布，提高干燥效率。James A Searles等人研究認為不同的成核溫度產生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小，繼而導致升華干燥的速率的不均勻。但是一個過程中的干燥速率是由zui慢的干燥藥品確定的，因此不均勻的干燥速率會影響藥品的質量和生產的經濟性。研究證實退火過程中的相行為和重結晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性，提高干燥效率和藥品均勻性。

　　為了達到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時間等參數。但是目前由于實驗手段不夠*和理論知識比較缺乏，退火機理尚有疑問，退火參數的選取仍然沒有依據。

　　4.2干燥

　　藥品冷凍干燥的干燥過程可以分為兩個階段，一次干燥和二次干燥。在一次干燥階段除去自由水，在二次干燥階段除去部分結合水。干燥過程占據了藥品冷凍干燥過程的大部分能耗，因此采取有效措施提高干燥速率顯得非常有意義。目前，大都采取控制擱板和藥品溫度、冷阱溫度和真空度的做法來實現干燥速率的提高。

　　藥品溫度的控制。包括凍結層和已干層的溫度控制?？刂苾鼋Y層溫度的原則是在保證凍結層不發(fā)生熔化（在低共熔點以下）的前提下，溫度越高越好?？刂埔迅蓪訙囟鹊脑瓌t是在不使物料變性或已干層結構崩塌的前提下、盡量采用較高的干燥溫度。而擱板溫度的控制是以滿足藥品溫度控制為標準。冷阱溫度。凍干過程中水升華的驅動力是藥品和冷阱間的溫差。由于藥品溫度受加熱方式的限制，同時不能高于共熔溫度，因此冷阱溫度越低越好。為了提高經濟性，在升華干燥過程中應至少低于藥品溫度20℃；在解吸干燥過程中，對于那些要求很低殘余水分的配方，冷阱溫度要求更低。

　　真空度。一般認為，壓力對凍干過程有正反兩方面的影響：

　　a）在藥品共熔點溫度和崩塌溫度以下，升華界面溫度越高，升華水汽越多，所需熱量越大。壓力越高，相應提高了已干層導熱系數，表面對流作用也越大，因此升華水汽也越快，即凍干速率越大。

　　b）升華界面通過已干層到外部的水汽逸出速度與界面和表面之間的壓力差，即界面溫度所對應的飽和壓力與干燥室的真空度之差相關。這個壓差大，有助于水汽逸出。這個壓差越小，逸出越慢，干燥速率也越小。如果冷凍干燥是傳熱控制過程，則干燥速率隨著干燥室壓力升高而提高；如果冷凍干燥是傳質控制過程，干燥速率隨著干燥室壓力升高而降低。

　　經驗證明升華階段的真空度在10～30Pa時，既有利于熱量的傳遞，又利于升華的進行。若壓強過低，則對傳熱不利，藥品不易獲得熱量，升華速率反而降低，而且對設備的要求也更高，增加了成本。而當壓強過高時，藥品內冰的升華速度減慢，藥品吸收熱量將減少，于是藥品自身的溫度上升，當高于共熔點溫度時，藥品將發(fā)生熔化導致凍干失敗。根據真空度對凍干速率的影響，文獻[40]采用了循環(huán)壓力法，得到了不錯的效果。

　　藥品冷凍干燥過程是一個連續(xù)的操作，不同的藥品配方，有不同的凍結特性，而且凍干曲線也不同，因此應在基礎研究的基礎上廣泛開展個體研究，優(yōu)化凍干曲線，提高干燥速率，降低能耗。

　　5藥品冷凍干燥機

　　藥品冷凍干燥機的分類方法很多，按其擱板面積可分為大、中、小三種類型，通常凍干面積小于1.5m2為小型，介于1.5m2至50m2之間為中型，大于50m2為大型；按其目的和用途可分為實驗型凍干機、中試型凍干機和工業(yè)生產型凍干機。

　　藥品冷凍干燥機主要由干燥箱、真空系統、制冷系統、冷阱系統、加熱系統、加蓋系統、自動控制系統等幾大部分組成。此外，大中型冷凍干燥機還常有蒸氣滅菌系統（SIP）、在位清洗系統（CIP）。

　　制冷系統分別為冷凍干燥箱和冷阱系統提供冷源。目前采用的單級制冷壓縮循環(huán)的板層制冷溫度約在-35℃～-40℃之間，冷阱溫度在-50℃左右；雙級制冷壓縮循環(huán)的板層制冷溫度在-45℃～-50℃之間，冷阱溫度在-65℃左右；復疊式制冷循環(huán)的板層制冷溫度在-55℃～-60℃之間，冷阱溫度在-75℃左右。

　　冷凍干燥機的控制主要是對制冷機、真空機組、加熱功率的起停及溫度的控制，對真空度、溫度的測定、監(jiān)控、以及自動保護、報警裝置等。采用全自動控制或微電腦控制的凍干機都能顯示各主要部件的工作狀態(tài)，顯示干燥箱內擱板和藥品的溫度、真空度、捕水器溫度，都能進行參數設定、修改和實時顯示。

　　藥品冷凍干燥機必須執(zhí)行GMP規(guī)范標準，實現高度無菌化、無塵化，達到高度可靠、安全、維護簡便。為此藥品冷凍干燥機往往采用蒸氣滅菌系統（SIP）以保證滅菌*、*。同時輔以在位清洗系統（CIP），對干燥室、冷凝器、主閥及管道進行就地清洗預設排液坡度，保證無液體滯留。同時具有應對停電、停水、誤操作的保護措施，一旦出現故障，可以對藥品實行保護；實現凍干機操作運行的計算機控制，具有停電停水三對策系統，可以多路聯鎖自動報警。

　　由于藥品冷凍干燥機必須執(zhí)行GMP規(guī)范標準，因此今后藥品冷凍干燥機的研究仍將朝著無菌化和高度可靠性的方向進行，如自動進料方式、真空控制方式等的研究。

　　隨著生物技術的高速發(fā)展，多肽蛋白質類藥物不斷涌現，可應用于臨床的多肽、蛋白酶、激素、疫苗、細胞生長因子及單克隆抗體等成為開發(fā)重點。為防止藥品變性，目前廣泛采用冷凍干燥法制備稱固態(tài)藥品。經過幾十年的發(fā)展，藥品冷凍干燥技術雖然有了很大的進展，但是仍存在不少問題，亟需解決。在冷凍干燥過程中會產生多種凍結和干燥應力，使藥品發(fā)生不同程度的變性，而且凍干法本身也存在干燥速率低、干燥時間長、干燥過程能耗高和干燥設備投資大等缺點。因此為了提高藥品的穩(wěn)定性和經濟性，必須對藥品在凍干過程中的損傷和保護機理進行進一步的研究，同時利用*的制冷和真空設備及控制手段開發(fā)價格低、性能好的冷凍干燥機，繼續(xù)完善低溫低壓下的傳熱傳質理論，優(yōu)化凍干工藝。