冷凍干燥技術(shù)旨在通過升華移除水分，從而在低溫下穩(wěn)定對熱敏感的藥品，尤其是生物制品。理想的產(chǎn)品應(yīng)具有飽滿的形態(tài)、多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)以及均勻的色澤。然而，在實際生產(chǎn)中，塌陷、噴瓶是常見的破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、影響藥品質(zhì)量和安全性的嚴(yán)重缺陷。對這些現(xiàn)象的深入分析，必須貫穿于從處方設(shè)計、凍結(jié)過程、初級干燥到次級干燥的整個工藝鏈條。
一、 塌陷：結(jié)構(gòu)完整性的喪失
塌陷指凍干餅結(jié)構(gòu)的局部或整體性崩塌，形成空洞或致密區(qū)域，是產(chǎn)品在干燥過程中失去了剛性多孔結(jié)構(gòu)的直接表現(xiàn)。
根本原因： 產(chǎn)品的溫度超過了其關(guān)鍵溫度閾值——共晶點或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
1. 物理化學(xué)機理：
對于晶體產(chǎn)品： 其臨界溫度為共晶點。在凍結(jié)階段，溶液中的溶劑(水)和溶質(zhì)在達到其共晶點溫度時共同結(jié)晶，形成固相骨架。在初級干燥(升華干燥)階段，如果產(chǎn)品溫度高于其共晶點，凍結(jié)的溶劑會局部熔化，形成的液態(tài)水會溶解周圍的固體基質(zhì)。隨著升華界面的推進，這些被溶解的區(qū)域無法支撐上方的固體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔道閉合、結(jié)構(gòu)塌陷。升華產(chǎn)生的水蒸氣在穿過這些已塌陷的致密層時受阻，會進一步加劇塌陷區(qū)域的擴展。
對于非晶體/無定形產(chǎn)品： 這是生物制品和許多蛋白類藥物更常見的情況。溶液在凍結(jié)時形成的是非晶態(tài)凍結(jié)濃縮物，而非晶體。其臨界溫度是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在Tg'(凍結(jié)濃縮物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)以下，物料呈堅硬的玻璃態(tài)，具有足夠的機械強度以維持多孔結(jié)構(gòu)。如果在初級干燥時產(chǎn)品溫度高于Tg'，物料會從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，粘度急劇下降，流動性增加。在自身重量和冰升華產(chǎn)生的界面張力作用下，橡膠態(tài)的基質(zhì)無法維持其微觀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致宏觀上的塌陷。塌陷后的產(chǎn)品水分難以逸出，并在后續(xù)儲存中更易降解。
2. 誘發(fā)因素分析：
處方因素：
塌陷溫度低： 產(chǎn)品本身的共晶點或Tg'過低是內(nèi)在風(fēng)險。例如，蔗糖的Tg'約為 -32°C，而甘露醇(晶體)的共晶點較高，約為 -1.5°C，因此以甘露醇為賦形劑的處方更不易塌陷。
賦形劑選擇不當(dāng)： 使用低Tg'的糖類(如果糖)或不具備保護作用的電解質(zhì)，會顯著降低整個體系的塌陷溫度。
工藝參數(shù)因素：
過高的板層溫度： 這是最直接的原因。在初級干燥階段，為加速升華而設(shè)置過高的板層加熱溫度，會使產(chǎn)品溫度逼近甚至超過其臨界溫度。
過高的真空度： 箱體壓力過低，雖然升華驅(qū)動力大，但會削弱氣體對流導(dǎo)熱，導(dǎo)致熱量無法有效從板層傳遞到產(chǎn)品升華界面，反而可能為了維持升華而被迫提高板層溫度，間接引發(fā)塌陷。同時，極低的壓力會降低產(chǎn)品的表觀塌陷溫度。
凍結(jié)速率不當(dāng)： 快速凍結(jié)會產(chǎn)生小冰晶，形成細(xì)小且曲折的孔道，增大升華阻力。慢速凍結(jié)產(chǎn)生的大冰晶則形成更通暢的孔道，有利于升華，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固。對于某些產(chǎn)品，缺少退火步驟是問題所在。退火可以使小冰晶再結(jié)晶長大、使結(jié)晶性成分結(jié)晶更充分，從而提高塌陷溫度并降低升華阻力。
二、 噴瓶：物料的無序損失
噴瓶是指部分或全部產(chǎn)品從容器(通常是西林瓶)中逸出，輕則在瓶壁、瓶口形成粉末狀或片狀粘附，重則導(dǎo)致產(chǎn)品損失。這不僅造成收率下降，更可能污染凍干機腔體和相鄰產(chǎn)品，引發(fā)交叉污染。
根本原因： 在凍結(jié)階段，產(chǎn)品內(nèi)部或底部殘留的液態(tài)水在升華初期迅速沸騰、氣化，產(chǎn)生足以將固體物料噴出的爆發(fā)性蒸汽壓。
誘發(fā)因素分析：
凍結(jié)速率與形態(tài)：
“殼狀”凍結(jié)： 這是噴瓶最常見的原因。當(dāng)藥液灌裝到西林瓶后，與制冷板層接觸的底部和側(cè)壁首先凍結(jié)，形成一層凍結(jié)外殼。這層外殼將中心未凍結(jié)的液體密封在內(nèi)。隨著升華開始，真空環(huán)境使被封存液體的沸點急劇下降，迅速達到沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生大量蒸汽。這些蒸汽瞬間沖破上方的凍結(jié)外殼，將未干燥的物料一并帶出。
處方因素：
富含泡沫： 在灌裝前，藥液中若含有大量氣泡或容易起泡，凍結(jié)后氣泡被固定在凍塊中。在真空環(huán)境下，氣泡膨脹，成為噴瓶的“氣源”。
溶液濃度與粘度： 濃度過低、粘度小的藥液更容易在凍結(jié)時形成不均勻的殼狀結(jié)構(gòu)。
工藝操作因素：
預(yù)凍結(jié)束后的泄壓操作： 如果在預(yù)凍結(jié)束后、抽真空開始前，先向箱體內(nèi)注入空氣(即使是無菌空氣)，箱內(nèi)壓力回升可能導(dǎo)致部分已凍結(jié)的產(chǎn)品表面發(fā)生微融。當(dāng)再次抽真空時，這些微融的液體迅速汽化，引起噴瓶。
升華速率過快： 在初級干燥初期，過快地提高板層溫度和降低箱體壓力，會使升華界面熱量輸入過于劇烈，導(dǎo)致產(chǎn)品表層以下的部分冰晶瞬間大量升華，蒸汽來不及通過已干燥層的孔隙逸出，壓力積聚而引發(fā)噴瓶。
三、 綜合防治策略：基于質(zhì)量源于設(shè)計
1.處方優(yōu)化： 這是根本。通過篩選合適的賦形劑，如使用高Tg'的糖類與聚合物組合，可顯著提高產(chǎn)品的塌陷溫度，增強凍干餅的機械強度。
2.工藝開發(fā)與表征：
確定關(guān)鍵溫度： 必須通過差示掃描量熱法測定產(chǎn)品的共晶點/Tg'，并通過凍干顯微鏡直觀觀察實際塌陷溫度。這是設(shè)定安全工藝窗口的基礎(chǔ)。
優(yōu)化凍結(jié)工藝： 采用受控的慢速凍結(jié)或引入退火步驟，可以有效改善冰晶形態(tài)和大小分布，消除殼狀凍結(jié)，從根本上預(yù)防噴瓶，并為高效、安全的升華干燥創(chuàng)造條件。
設(shè)計穩(wěn)健的干燥曲線： 初級干燥的板層溫度和箱體壓力必須設(shè)置在能確保產(chǎn)品溫度始終低于其臨界溫度的范圍內(nèi)。通過過程分析技術(shù)(如電阻法、氣壓溫度測量法)實時監(jiān)控產(chǎn)品溫度和升華界面推進情況，是保證工藝穩(wěn)健性的關(guān)鍵。
設(shè)備與容器確認(rèn)： 確保凍干機板層溫度均一性良好，避免邊緣產(chǎn)品因受熱過多而塌陷。同時，西林瓶的幾何形狀和傳熱性能也會影響凍結(jié)和干燥行為，需在工藝放大時予以考慮。
結(jié)論：
凍干藥品的塌陷、噴瓶并非孤立的偶然事件，而是處方組成與工藝參數(shù)不匹配所觸發(fā)的必然結(jié)果。對共晶點、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等核心物理化學(xué)參數(shù)的深刻理解，是解析這些缺陷的鑰匙。通過質(zhì)量源于設(shè)計的理念，在研發(fā)早期進行系統(tǒng)的處方篩選和工藝表征，設(shè)計出遠離臨界狀態(tài)的、穩(wěn)健的凍干工藝，是杜絕這些外觀缺陷、確保藥品內(nèi)在質(zhì)量與生產(chǎn)成功的途徑。
