冻干工艺预冻过程中冻干制剂的相分离原因分析及解决方法
2026-08-14 来源:本站 点击次数:217冻干制剂的相分离分析
我们在进行冻干制剂开发过的过程可能会出现某些“奇怪”或“出人意料”的外观缺陷。如：Skin formation、Cake lifting、分层；或者工艺转移失败：出现熔融（在GMP环境下工艺放大，无论调整温度或工艺时间延长50%甚至更长时间均失败）或者是冻干制剂（生物制剂）失活。
1. 问题
Cake lifting：在升华干燥阶段中、后期出现
Skinf ormation/Cake lifting：较严重，已严重影响整体外观
Skin formation：较轻，不影响整体外观
工艺转移失败：调整工艺产品均出现熔融，严重影响外观
2. 机理
这些出人意料的外观缺陷（Skin formation、Cake lifting、分层）可能会对冻干制剂的生产效率、质量（例：冻干生物制剂活性成分失去冻干保护剂的保护而失去活性）产生严重影响。
这些缺陷的出现很可能是如下两种原因：
两种机理
- 溶质迁移
但这种机理过于简陋，并不能解释所有现象。
- 相分离
关于Cake lifting合理的解释：可能是发生溶质迁移/phasese paration后（冻干块顶部的溶质密度远远大于底部的密度），冻干块在升华干燥失水的过程中发生萎缩与小瓶的内壁分离，而升华干燥的水蒸气流在冻干块顶部受阻，从而导致冻干块脱底上升，如果冻干块总质量低，则可能会进一步会加剧这种现象。
关于冻干工艺转移失败合理的解释：在小试阶段其实就已经发生了溶质迁移/phasese paration，只是对产品影响不大，工艺放大转移时，在GMP环境下过冷度较高，传质阻力要比小试阶段大得多，加上升华干燥的水蒸气流在冻干块顶部受阻，调整工艺，工艺均转移失败。
为何会发生相分离
- 相分离取决于处方和工艺
- 相分离发生在预冻阶段：温度/时间和浓度在冻结期间至关重要，并且可能影响系统相分离的趋势
- 原辅料的理化性质可能会影响相分离
- 冻干生物制剂更容易发生
- 大分子聚合物更容易发生
- 环糊精可能会发生
- 含有海藻糖/甘露醇的处方可能会发生
- 含有盐/缓冲盐的处方可能会发生
- 其他可能的未知的情况...
机理分析
- 对单元相冻干制品来说
- 不可能出现相分离
- 结膜/分层可能出现，溶质迁移造成外观的异常
- 一般解决方法：调整预冻工艺（预冻速率、温度）
- 终极解决方法：控制成核技术
- 对二元相冻干制品及多元相冻干制品的原辅料在足够高的浓度下表现出不相容性（Immiscibility Between Components）
- 药液冻结期间，冷却至低温，然后发生冰晶的成核和生长，这导致在间隙区域内的溶质（未冻结部分）富集浓缩，由于其有限的共溶特性（co-solubility），则可能发生相分离，造成宏观外观上的Skin formation/分层、冻干生物制剂失去冻干保护剂而失活或者其他问题
- 溶质的浓度甚至可以达到初始的50多倍预冻过程的主要功能是将溶剂与溶质分离，对于水性系统，水形成冰晶，然后溶质与溶剂（通常是水）分离，被限制在冰晶之间的间隙区域。
- 如在热力学和动力学上具有某些促进条件，则这些富集浓缩的溶质可发生相分离。
- Flory-Huggins理论
- 以二元相为例，当物质A和物质B混合时，则有如下三种交互作用：
- 熵和焓之间的竞争决定了相分离过程
- 聚合物由于尺寸和链段的原因其无法充分利用自由体积，所以大分子聚合物混合熵比小分子的混合熵小几个数量级（但混合时熵还是增加的）。因此，混合状态在热力学上主要取决于混合焓∆Hmix，当∆Gmix>0，在热力学上有利于相分离
- 混合焓主要反映的是系统内能的变化，内能的变化是由不同分子之间的吸引力或排斥力所引起的，进而决定混合均匀性，当物质受到排斥时，则发生相分离。
预冻时温度降低，物质受到排斥，则∆Gmix>0，热力学上有利于相分离
- A和B-B交互作用优于A-B交互
- 因为蛋白质是大分子，尤其是在存在聚合物或其他蛋白质的情况下，由于有限的共溶性而导致相分离的原理也适用于蛋白质配方。
- 环糊精为类聚合物，也符合该理论。
- 尽管Flory-Huggins理论描述的是大分子之间的不相容性，但无论分子大小，都可能出现有限的共溶性，而发生相分离。
动力学原理：Phase Separation Envelope Model
- 抛物线下区域：促进相分离，热力学上自发的（∆Gmix>0）Tg'以上（橙色区域）的面积：相分离受到动力学促进
- 由于温度和浓度
- Tg'（白色区域）以下的区域：相分离受到动力学阻碍
- 由于分子固定在玻璃态（粘度增加）
- 冷冻步骤中的时间段（到达Tg'之前）对于相分离至关重要
- 如果相分离是热力学上自发且在动力学上有利的（足够的迁移率和时间），则冻干制及的原辅料可能会分为两个不同的相：
- 处方组分之间的比例是影响相分离的关键因素
- 解决方法：调整比例来解决
- PVP：Dextran配方中的多个Tg'表示多个无定形相，表明存在相分离Modulated DSC
通过观察两个Tg'，PVP：Dextran在1：4至4：1中观察到相分离
例：BSA：Trehalose配方中的多个Tg'表示多个无定形相，表明存在相分离Modulated DSC
观察到BSA：Trehalose配比在1：1.5和1：1的时候发生相分离
- 盐析效应
- 盐类和缓冲剂会对组分的共溶特性（co-solubility）产生负面影响
- 高浓度会导致盐析效应
- 在高浓度下，盐析效应会降低原/辅料的的溶解度，从而析出，导致相分离。
- 在高浓度下，盐析效应会影响原辅料之间的相互作用，从而导致相分离。
- 该效应是浓度依赖性的，可能影响了水合状态或掩盖了静电效应。
- 解决方法：可通过更换盐类或者改变浓度来改善相分离。
- 组分结晶
- 海藻糖/甘露醇在预冻过程结晶，溶解度的差异，导致相分离。
- 解决方法：调整比例来抑制组分的结晶。
3. 实践
影响相分离的工艺参数
过冷度-成核温度
- 过冷度：平衡凝固点与冰晶首次形成的温度之间的差异
- 由于水结晶放热造成样品温度的升高接近平衡凝固点，但温度升高的过程中可能会发生相分离，但这种情况与成核温度无关，涉及处方。
- 仅在较高的成核温度下（-5℃），预期会导致更大程度的相分离（由于预冻时在Tg’温度之上溶质富集浓缩，在动力学有利于出现相分离：刚好浓度又合适的情况下）
- 小试出现，在GMP环境下不一定出现（GMP环境下的成核温度比一般试验的成核温度低3-5摄氏度），但却无法承担这个风险
例：过冷度对PVP：Dextran配方相分离的影响PVP：Dextran配方，在-5℃出现相分离拉曼光谱
- 冷却速度
- 预冻速率过慢会导致相分离
- 一般情况下，实际工艺所谓的快冻、慢冻并不会导致相分离，如出现可用Soka法（梯度降温）来改善，但不一定能完全解决
- PVP：Dextran配方相分离的影响拉曼光谱
- 退火
- 温度增加到Tg'以上，增加流动性，退火的持续时间和增加的迁移率可能会造成相分离
- 解决方法：使用填充剂来控制冰的形态或增加冰晶的尺寸
- 填充量
- 由于小瓶中较大的热梯度，较大的装量预计会对相分离产生较大影响
总结：相分离主要还是处方的物理相容性问题，优化工艺可能可以改善，但无法消除。
最后的话
- 冻干工艺的预冻过程中，因为溶质迁移、相分离等原因导致的问题，很难通过一些普通工艺调整手段来解决；
- 传统的冻干工艺，预冻阶段冰晶结晶从下至上，过冷温度随；
- 从而溶质浓度“下稀上浓”继而引发结壳，一次干燥阶段升华阻力过大，产品冰晶大小不均一，水分分布不均等各种问题；
- “介入成核”技术，冰晶生长从上至下；
- “介入成核”技术，大大减缓预冻阶段的过冷问题；
- 为传统预冻阶段，因为溶质迁移而导致的“下稀上浓”以及过冷温度不均一而导致的系列问题提供了更多解决的可能性；
文章来源——冻干工艺之家公众号 • 星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室
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