冷冻干燥工艺三个步骤:
预冻
一次干燥
二次干燥
其中预冻阶段除了将液体冻结为固体,还有将溶质与溶液通过相变进行分离的作用,因此一个好的预冻工艺不仅决定了后续步骤中干燥的效率,也会影响产品的关键质量属性(如:产品的水分,复溶速率等)。而在预冻工艺的设计中,退火是优化冻干工艺非常重要的一个手段。
预冻过程介绍
在退火程序开始前,溶液已经经历了一次预冻过程被冻结成固体,此时固体的组成对研究退火工艺至关重要。可以通过图1 二元相图进行简要的描述预冻过程。
图 1 二元相图
说明如下:
阶段一:(A→B→C→D)溶液从室温A开始降温,到达冰点B,由于无晶核存在,不发生结晶,从而形成过冷溶液,当到达C点时,形成晶核,发生结晶,整个溶液温度会回到冰点D点让水继续结晶。
阶段二:(D→Te)随着水结晶增多,未冻结相溶质浓度增大,当到达共晶点Te时,理论上会形成共晶体,但是实际上会有部分溶液无法形成共晶(根据溶质性质,形成共晶的比例会不同)。
阶段三:(Te→E→Tg’)非晶态溶液继续降温形成过饱和溶液,最终在Tg’点完全固化,形成玻璃体,同事玻璃体中也会包含部分未来得及结晶的水分子即结合水。
阶段四:(Tg’→F)进一步降温,这时结晶相和非晶相比例不会改变,此时形成了一个即有水的冰晶,共晶体,玻璃体的混合物。
以上的四个阶段都是理想的状况,而实际的预冻过程会更加复杂,预冻速率的加快会加重这种复杂程度,首先有部分水分子没有来得及按照理想状况形成晶格,而被包裹进非晶相溶液中;其次结晶快速生长会将非均相溶液分散隔绝开,不同区域内溶质浓度、性质区别也很大,如表面富集现象。
退火的原理
退火程序是将已冻结样品由温度F点升高到一定温度维持,再降低到F点冻结的过程。
从动力学角度来看,退火过程遵循吉布斯-居里-乌洛普的表面能理论:晶体的平衡形状应该是使晶体单位体积具有最小的总表面积自由能,简单来说就是表面积:体积比值趋向于最小化,即小的体积变成大体积,片状变成球状或圆柱状。
从热力学角度来看,退火过程中存在两个变化,非晶态物质在高于Tg’时粘度会随温度升高而降低,从而发生流动、聚合;晶态的物质,小的冰晶分子会向大的冰晶迁移。
退火工艺参数的设计
依据预冻过程和退火的原理可知,退火涉及三个关键工艺参数:退火温度,退火维持时间,退火后降温时间。
根据热力学原理,退火温度应高于最大浓缩液玻璃化转变温度(temperature of vitreous transformation)Tg’,因为只有高于此温度时,已固化的非晶相才会回复成溶液状态,促进非晶态溶液中的水和其他物质重新结晶。有的文献认为应小于或等于共熔温度,因为在此温度才更有利于重结晶,而有的重结晶现象可以直接在热分析图谱中直接看到。因此DSC热分析是研究退火条件的重要手段。
图 2 甘露醇/蛋白溶液DSC分析曲线
退火维持时间,应该由溶质的结晶性质,退火的温度和装载高度等诸多因素决定,因此目前还没有合适的数学模型。文献报道可由实验确定最佳的退火时间,如蔗糖在-14℃退火30min,能显著提高升华效率,而要达到相似的效率,必须在-25℃退火更长的时间。对于常规的保护剂甘露醇或甘氨酸,如果充填高度度为1cm或更大,则建议温度为-20或-25℃,退火时间为2h或更长,内容如图 2 甘露醇/蛋白溶液DSC分析曲线所示。另外可以借助仪器如使用X射线衍射或DSC来研究退火条件以评估结晶度的发展。
退火的意义
退火能够促进结晶增长,扩大升华孔道,减小升华阻力,缩短冻干时间,并且容易获得优雅的外观。有实验研究表明,2%甘露醇冻干后的横截面,在-3℃退火4小时后,孔径由原来90μm变成了120m孔,初次干燥时间由1030min减小到790min。(以下两组照片能明显看出不同预冻速率冻干后粉饼区别)
初次冻结过程由于成核温度的差异产生不同的晶粒形态和大小,从而使升华干燥不均匀,退火过程中的重结晶可减小这种差异,使产品更加均一。
退火过程能够释放出非晶态中可结晶物,提高非晶相Tg’,如甘氨酸和蔗糖(1:1)配方在-20℃下退火,可使甘氨酸结晶析出,产品的Tg’由-44℃升高至-33℃,而且充足的结晶性骨架可以保证粉饼即使在高于Tg’的温度进行初次干燥,依然能维持良好的外观,这样就能大大提高允许的干燥温度,缩短冻干周期。
退火过程能够释放出非晶态中的水分,使其重结晶,而使解析干燥变得容易。同时使冻干粉Tg升高,从而提高稳定性。但是需要注意的是,退火过程会造成冷冻浓缩液相分离,浓缩液中蛋白质在固液界面处可能发生变性。
总结
应用QbD的理念,在设计冻干工艺过程中,预冻阶段是否退火及退火工艺参数的是必须要考虑的内容,可以通过溶质的性质,装填体积等信息及DSC热分析,电镜扫描等检测结果进行综合考虑。一个经过良好设计的退火工艺不仅能大大缩短冻干周期,而且能够提高冻干粉的稳定性。
Patapoff T W, Overcashier D E.The importance of freezing on lyophilization cycle development[J].BIOPHARM-EUGENE-, 2002, 15(3): 16-21;
Searles J A. Freezing andannealing phenomena in lyophilization[M]//Freeze-Drying/Lyophilization ofPharmaceutical and Biological Products, Third Edition. CRC Press, 2016: 64-93;
Tang X C, Pikal M J. Design offreeze-drying processes for pharmaceuticals: practical advice[J].Pharmaceutical research, 2004, 21(2): 191-200;
左建国, 华泽钊, 刘宝林, 等. 冻干保护剂溶液低温退火特性的研究[D]. , 2005;
周新丽, 翁宇, 陈光明. 药品冷冻干燥过程的退火机理分析[J]. 化学工程, 2005,33(6): 4-7;
Beirowski J, Gieseler H.Application of DSC and MDSC in the development of freeze driedpharmaceuticals[J]. Eur Pharm Rev, 2008, 13(6): 63-70.
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