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冷凍干燥工藝優(yōu)化—凍結(jié)研究

冷凍干燥過程中的凍結(jié)過程非常重要，因?yàn)樵趦鼋Y(jié)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(zhì)量。因此在凍結(jié)過程中必須考慮配方、凍結(jié)速率、凍結(jié)方式、以及是否退火等問題。

凍結(jié)方式
凍結(jié)方式不同，產(chǎn)生的冰晶的形態(tài)和大小就不同，而且會(huì)影響后繼的干燥速率和凍干藥品質(zhì)量。根據(jù)凍結(jié)機(jī)理，可以把凍結(jié)分為全域過冷結(jié)晶和定向結(jié)晶兩類。

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

全域過冷結(jié)晶按凍結(jié)速率的快慢可分為慢速凍結(jié)和快速凍結(jié)。快速凍結(jié)的冰晶細(xì)小，而且沒有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象，但是存在不完全凍結(jié)現(xiàn)象。相反，慢速冷卻產(chǎn)生較大的冰晶，并且存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象。Thomas W Patapoff等人發(fā)現(xiàn)如果把藥品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中（快速凍結(jié)），那么晶核首先在瓶壁產(chǎn)生，然后冰晶向中心擴(kuò)散，再垂直向上擴(kuò)散。由于長(zhǎng)成的冰晶細(xì)小，而且有水平方向的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致干燥階段的傳質(zhì)阻力很大，升華速率降低。實(shí)驗(yàn)證明，快速凍結(jié)導(dǎo)致升華速率低，解吸速率快，慢速凍結(jié)導(dǎo)致升華速率快，解吸速率慢。
James A Searles等人認(rèn)為冰晶成核溫度是全域過冷結(jié)晶的重要因素，因?yàn)樗巧A速率的主要決定因素。他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，冰晶成核溫度從本質(zhì)上來(lái)說是隨機(jī)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(jī)性導(dǎo)致升華干燥速率的不均勻性以及與形態(tài)相關(guān)的參數(shù)，如凍干藥品表面積和解吸干燥速率。
定向結(jié)晶是指一小部分藥液處于過冷狀態(tài)下進(jìn)行凍結(jié)的方式。Thomas W Patapoff介紹了一種垂直凍結(jié)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(jié)。用這種方式凍結(jié)的樣品的冰晶在垂直方向呈現(xiàn)煙囪狀，在藥品表面沒有凍結(jié)濃縮層，而且整個(gè)藥品的結(jié)構(gòu)均一性很好，因此在干燥時(shí)的傳質(zhì)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(shí)現(xiàn)了定向凍結(jié)。他們?cè)谡婵帐覊毫?.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開始表面凍結(jié)，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(jié)晶溫度以下進(jìn)行凍結(jié)。在這種條件下長(zhǎng)成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時(shí)在干燥階段發(fā)現(xiàn)，升華干燥時(shí)間比采用一般凍結(jié)的時(shí)間節(jié)省了20%。分析凍干藥品時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)甘露醇，采用這種方式凍結(jié)的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結(jié)的要多；但對(duì)蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。H Schoof等人在凍干膠原質(zhì)時(shí)也采用了定向結(jié)晶的方式。
凍結(jié)方式不同，產(chǎn)生的冰晶形態(tài)和大小就不同，后繼的干燥速率也不同。實(shí)驗(yàn)證明，采用定向結(jié)晶方式的凍結(jié)藥品的干燥速率比全域過冷結(jié)晶的快。但是無(wú)論采用哪種凍結(jié)方式，藥品溶液必須部分或全部實(shí)現(xiàn)玻璃化凍結(jié)，以保護(hù)藥品藥性。
退火
退火是指把凍結(jié)藥品溫度升到共熔溫度以下，保溫一段時(shí)間，然后再降低溫度到凍結(jié)溫度的過程。在升華干燥之前增加退火步驟，至少有三個(gè)原因：

1、強(qiáng)化結(jié)晶。在凍結(jié)過程特別是快速凍結(jié)過程中，配方中結(jié)晶成分往往來(lái)不及完全結(jié)晶。但是如果該成分能為凍干藥品結(jié)構(gòu)提供必要的支撐或者蛋白質(zhì)在該成分完全結(jié)晶后會(huì)更穩(wěn)定，那么就有必要完全結(jié)晶。此外，凍結(jié)濃縮液中也會(huì)有一部分水來(lái)不及析出，使其達(dá)不到zui大濃縮狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)退火的溫度高于配方的zui大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg'時(shí)，會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶的形成使結(jié)晶成分和未凍結(jié)水結(jié)晶完全。
2、提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg'。從非晶相中除去Tg'較低的結(jié)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(jié)晶規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過退火之后的海藻糖干燥溶液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由31℃上升到79℃，大大提高了穩(wěn)定作用。
3、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(rèn)為不同的成核溫度產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小，繼而導(dǎo)致升華干燥的速率的不均勻。但是一個(gè)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(huì)影響藥品的質(zhì)量和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。研究證實(shí)退火過程中的相行為和重結(jié)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(dá)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(shí)間等參數(shù)。但是目前由于實(shí)驗(yàn)手段不夠先進(jìn)和理論知識(shí)比較缺乏，退火機(jī)理尚有疑問，退火參數(shù)的選取仍然沒有依據(jù)。

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