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冻干技术在药物注射剂中的应用：行业和监管视角

生物制品圈 · 公众号 · 生物 · 2025-02-17 17:19

正文

冻干工艺，那可是在制药、生物技术和食品工业里有着超重要地位的 “大明星”！就好比是给产品施了个 “稳定魔法”，能把那些原本在使用时不太靠谱、容易不稳定的药物制剂，变成超稳定的存在。有些特定制剂呢，还得拉上一些赋形剂小伙伴来帮忙，这样才能一直美美的，保持外观质量，还能长时间稳定在线。

冻干参数和工艺的优化也超关键，特别是冷冻和干燥这俩阶段，那可是直接影响着工艺效率和产品性能，就像游戏里的关键装备，装备好不好，直接影响战斗力！这篇文章就像是一份冻干工艺的超级大礼包，把产品开发里各种基本要素都打包送给读者啦，像制剂要考虑的事儿、工艺怎么优化、常见问题和解决办法，还有冻干里的 QbD 应用，统统都有。不仅如此，还唠唠生产工艺，从配制、过滤、灌装，到冻干产品可能出现的小毛病，还有各种用来研究这些产品的技术，以及冻干在制药和生物制剂里的应用，甚至还搬出市场上召回的冻干产品案例来分析，简直就是制剂科学家的贴心小助手！总的来说，读完这篇，不管是从行业角度，还是监管角度，都能把冻干工艺、应用、挑战和解决办法摸得门儿清。

在无菌药物生产这个大舞台上，要想让治疗产品一直保持 “战斗力”，长期稳定性可是关键中的关键。有些活性药物成分（API），一碰上水或者有机溶剂，就像调皮的小孩，容易形成不稳定溶液。所以呢，就得想办法把它们变成粉末形式，这时候就轮到干燥方法闪亮登场啦，而冻干，也就是冷冻干燥，那可是其中的 “王牌选手”。它的操作就像一场神奇的魔术，先把混合物冻起来，再丢进真空环境里，水分就 “嗖” 地一下被抽走了。而且这个过程超神奇，固体（冰）直接就变成蒸汽状态，都不经过液相，这种神奇的转变就叫升华。冻干主要有三个阶段，冷冻、初级干燥和二级干燥，这三个阶段既独立又紧密相连，少了谁都不行。

冻干在稳定大分子这件事上可是出了名的厉害，尤其是生物制剂，像蛋白质和肽疗法这些。生物制剂可比小分子药物复杂敏感多了，就像温室里的娇花，所以在生产过程中，特别是冻干工艺的时候，得小心翼翼，多留几个心眼儿。毕竟它们有自己独特的小脾气，比如容易聚集、吸附，生物活性也比较娇贵。

现在呢，美国食品药品管理局（FDA）和欧洲药品管理局（EMA）批准名单上，差不多一半的生物药物都用冻干技术来生产，这就相当于拿到了质量保证的 “金字招牌”。为啥呢？因为冻干能给固态药物穿上 “防护衣”，阻止或者减少物理和化学恶化，长期稳定性直接拉满。FDA 批准的肠外药物里，超过 30% 都是冻干产品。就像国际协调会议（ICH）Q8 (R2) 说的，药品开发的目标就是要生产高质量产品，生产工艺也得稳定输出，保证产品性能。不过呢，FDA 的药品生产评估办公室（OPMA）发现，冻干注射产品的实际应用，经常和 ICH Q8 (R2) 里推荐的参数不太一样。冻干工艺可是个 “时间和能源小怪兽”，要是在冻干循环设计的时候，还傻乎乎地用反复试验的老办法，那生产费用肯定蹭蹭往上涨。所以，优化每个阶段的冻干工艺，就像给游戏角色升级装备一样，对建立高效又有弹性的冻干循环太重要啦。2014 年，FDA 还专门发布了关于肠外产品冻干的指南，可见有多重视。设备设计和能力也很关键，它就像是游戏里的传送门，决定着冻干制剂能不能从小规模成功 “传送” 到大规模生产，或者转移到其他工业设施里。下面这张图 1，展示的就是注射剂冻干工艺的决策树，就像游戏攻略一样，带你一步步了解冻干工艺。

图 1. 冻干：肠外制剂的决策树。

本文主要围绕注射剂冻干展开，探讨了制剂里用的不同赋形剂，还有 QbD 原则在冻干里的应用。还从监管的角度，唠唠生产过程中的各种挑战。主要目的就是从行业和监管两个角度，给制剂科学家们送上一份冻干工艺、应用、挑战和解决办法的 “知识大礼包”，让大家彻底吃透冻干工艺。

制剂开发

制剂组成在冻干产品生产里，那可是起着 “定海神针” 的作用，因为它能影响冻干的好多阶段，像储存和复溶这些。重要因素有灌装量，还有赋形剂的组成和百分比，这些可都是 “小调皮”，会影响最终产品的稳定性、复溶要花的时间，还有水分含量的百分比。制剂科学家在开发冻干治疗产品之前，可得把下面这些因素好好琢磨琢磨。

溶剂选择

水在冻干工艺里，那可是最常用的 “老大哥” 溶剂。不过呢，有些 API 不太喜欢水，一碰到水环境，就容易出现溶解度问题，还会水解分解，就像怕水的小动物。所以在这种情况下，单独用有机溶剂，或者和水混合着用，就像给 API 找了个更合适的 “小伙伴”，特别是在提高 API 稳定性和溶解度方面，效果杠杠的。这种溶剂体系有不少优点：升华速度能加快，溶液化学稳定性也能提高，最终产品的物理和化学稳定性也能增强，还能靠微生物抑制特性，让溶液的无菌性更有保障。不过呢，使用有机共溶剂体系也有小麻烦，像毒性、安全性、操作起来有点难、储存问题，还有最终产品里允许残留的溶剂量。在冻干制剂里用有机溶剂的时候，残留溶剂可不能忘，允许的溶剂水平得比美国药典（第 < 467 > 章）和 ICH Q3C 建议的每日暴露限值低很多才行。

溶解度

在不同 pH 和温度条件下，给 API 测饱和溶解度，就像给它做个体检，能为冻干前溶液里的 API 浓度提供重要数据。选的本体溶液里的 API 浓度，可得比特定温度和 pH 条件下的 API 饱和溶解度低，不然就像小个子穿大衣服，不合适。饼状物对周围环境里水蒸气通过的阻力，可能和溶质含量有关。简单来说，溶质浓度增加，产品阻力就会增大，温度也会升高，质量流量就减少了。这时候，冻干产品的结构就可能会 “闹脾气”，出现饼状物微塌陷、塌陷和收缩这些变化。一般建议药物制剂冻干的时候，固体含量低于 20%，这样才更 “健康”。

溶液稳定性

评估 API 溶液在不同环境下的稳定性也很重要，像室温和 2 - 8°C，有赋形剂和没赋形剂的情况都得考虑。这个评估要在 pH 范围 3 - 9 和 24 - 48 小时范围内进行，就像给溶液做个全面 “体检”，目的是检测 API 有没有可能产生降解产物。在溶液生产过程中，本体溶液一般要保存 24 - 48 小时，这期间还得经过过滤、灌装和装入小瓶这些步骤。所以在进行冻干工艺之前，最好确定好本体溶液保存期的时间和温度，这样才能更顺利。

灌装量

考虑灌装量对实现高效冻干来说，就像盖房子打地基一样重要，一般建议灌装量最多是小瓶容量的 35 - 50%。这样做有两个好处，一是能减少真空去除后的产品损失，二是能让冷冻过程中形成的冰晶更大。冻干饼的阻力会让玻璃小瓶里的灌装量增加，饼高就提高了，干燥时间也会受影响。冷冻时间和灌装量就像一对好朋友，成正比关系。仿制冻干药品的灌装量，是在开发过程中，把它和参考产品对比着来确定的。为了实现完全冷冻，如果灌装深度≤1cm，最终冷冻温度（一般是−40°C）设置为 1 小时就行；要是灌装深度 > 1cm，就得设置为 2 小时。灌装深度 > 2cm 可要尽量避免，要是实在没办法，那就相应增加冷冻时间。

冻干制剂中使用的赋形剂

选合适的赋形剂，还得达到理想的浓度，这对开发冻干产品来说，就像解谜一样，是个大难题。赋形剂选得好不好，直接影响冻干饼的外观、长期稳定性，还有复溶时的张力。下面这张表 1，就简单介绍了冻干产品里用的赋形剂。

表1. 冻干制剂中使用的赋形剂。

冻干循环开发

创建冻干产品的第一步，就是确定制剂的玻璃化转变温度（Tg）和塌陷温度（Tc），这两个温度就像冻干循环里的 “红绿灯”。因为只有在这些温度以下进行初级干燥，才能防止冻干后出现回融或者塌陷的 “小事故”。低温显微镜和差示扫描量热法（DSC）是常用的测定 Tg 和 Tc 的技术，就像两个小助手，帮忙找到准确的温度。初级干燥温度可是占了循环时间的一半以上，就像一场比赛里的关键赛程，是最重要的冻干参数之一。这两种热分析技术能帮着确定这个温度。开发冻干循环的阶段就像下面这张图 2 展示的一样。冻干的一般步骤（根据作者的实践哦），从确定 Tg 和 Tc 开始。一般来说，目标 Tc 通常比 Tg 高 1 - 3°C，不过有时候，它们的差异可能会更大。主要干燥温度可以设定为低于得到的 Tc 值。优化这个循环的时候，可以一次改变工艺参数的一个因素，也可以用 QbD 方法，这时候看看文献综述，就像找个 “智囊团”，会很有帮助。最后通过改变参数，做最终优化的循环稳健性研究，得到一个稳健的循环，这样对冻干产品就更有信心啦。

图2. 进行冻干循环开发的指南或步骤。

冻干工艺

冻干工艺可是被众多研究 “盯上” 了，是克服制剂不稳定性的一种好办法。下面这部分就讲讲冻干工艺（图 3）。在开发冻干循环之前，科学家们得像了解自己的好朋友一样，彻底了解冻干工艺。

图 3. [A]冻干工艺概述；[B] 冻干中试工厂示意图；[C] 冻干循环示意图。

冷冻

冷冻阶段就像把样品放进一个超级大冰箱，让它处于低于共晶温度或安全冷冻温度。温度范围一般在−40 至−60°C 之间，在一些特殊应用里，可能会低到−60 至−80°C。冷冻还能自己单独 “玩耍”，和干燥过程不一样哦。这个阶段对确定冰的形状和孔径分布很重要，就像给冰宝宝 “塑形”。这个过程可能会有两种结果：一种是液体在特定温度下快速凝固，就像小朋友快速搭好积木，形成共晶；另一种是液体变成越来越粘稠的状态，但不凝固，就像变成了软软的橡皮泥，形成玻璃态。可以用热分析来更好地了解它的特性，确保产品能好好冷冻。差示扫描量热法（DSC）和冷冻显微镜是常用的热分析方法。一旦确定了产品的凝固点，确定最佳冷冻速率就像找到游戏里的最佳通关速度一样重要。冷冻速率可是决定所得晶体大小的关键因素。要知道，产品里的冷冻液体时间长了会升华。所以，冷冻速度慢，就会产生更明显的晶体结构，产品就更多孔，干燥速度也更快，就像海绵吸水快一样。不过呢，这样在补水或复溶方面，可能就不太理想。相反，快速冷冻速度会让产品加速失活，晶体结构也更小，就像把大颗粒变成小颗粒，虽然冷冻干燥时间变长了，但是复溶的时候很容易，就像小颗粒更容易溶解在水里。Tang 和 Pickle 还报道了无定形产品冷冻过程的一些关键点，能帮着建立稳健的冻干循环：把装载的小瓶在 5°C 下先放 0.25 - 0.5 小时；再降温到−5°C，保持 0.25 - 0.5 小时，还不能结冰；然后以大约 1℃/min 的速率冷冻至−40°C；最后，当灌装深度≤1cm 时保持 1 小时，当灌装深度 > 1cm 时保持 2 小时。

冻结过程中产生的应力

冷冻条件对冻干很重要，不过它也会带来一些 “小麻烦”，产生一些应力，这些应力会对制剂的稳定性产生很大影响。

晶体形成 ：冷冻过程中形成的冰和赋形剂，就像两个调皮鬼，有可能对药物制剂产生机械应力。比如脂质体这种囊泡系统，它有液芯，内部和外部核心形成的冰晶就会产生应力。而且，冰晶结构形成过程中的剪切应力，会让结构变形，就像把玩具捏变形了一样，进而导致药物泄漏。微小冰晶的形成和界面区域的大小，和过冷程度增加关系可大了。冰 - 液相之间界面的存在，就像一个不稳定因素，有可能导致胶体结构被吸附，然后被破坏。

冷冻浓度的变化 ：快速冷冻就像一个神奇的浓缩器，能显著提高残留液体部分中现有物质的浓度，不过这可能对颗粒稳定性不太友好。颗粒距离变小，就像小朋友们靠得太近，容易产生相互作用，吸引力超过排斥力，就会形成颗粒聚集体。颗粒聚集可能是因为静电排斥受阻，还有颗粒浓度增加。冷冻浓缩还可能会增加脂质双层颗粒（像脂质体和细胞外囊泡）的渗透压。渗透压差引起的水运动产生的机械应力，就像一股强大的力量，可能会把膜冲破。脂质膜的选择性溶质渗透性，也会影响冷冻渗透稳定性。这些变形过程可能会让包裹分子泄漏，还会影响释放动力学。

缓冲液 pH 值变化 ：缓冲液在冷冻过程中，就像一个情绪不稳定的人，会显著改变 pH 值，这对药物制剂的稳定性影响可不小。因为溶解度有限，pH 值可能会上升，然后形成共晶（比如琥珀酸盐、酒石酸盐和磷酸钠）。而且，制剂温度变化，也会影响缓冲液成分的 pKa 值，导致 pH 值波动（比如组氨酸、柠檬酸盐和苹果酸盐）。这种现象在磷酸钠缓冲液里表现得最明显，磷酸二钠和单钠盐相比，往往更早结晶，这个结晶过程会让 pH 值大幅下降。

相分离 ：冷冻过程还可能会导致液相分离，就像把不同颜色的水倒在一起，最后分成了不同的层，这就叫液 - 液相分离。相分离系统有两个不同的玻璃化转变温度。有些聚合物和盐的组合，就像一对特殊的搭档，会引起相分离。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙二醇（PEG）因为有冷冻保护特性，受到很多关注。还有葡聚糖和聚蔗糖等聚合物，它们可是塌陷温度调节剂。Heller 团队研究发现，就算加了 5% 的蔗糖或海藻糖，在冷冻干燥过程中，葡聚糖和 PEG 等聚合物的分离，还是会对血红蛋白的结构稳定性产生负面影响。

初级干燥

在极低压情况下，一般低到 0.01hPa（mBar），冰在这个阶段就像会 “变身”，直接升华变成蒸汽。产品和冷凝器冰表面之间的温差，就像一个小马达，会产生推动升华的压力梯度。为了在这个阶段得到好看又合适的干燥产品外观，产品温度得一直比 Tc 低几度，就像小朋友要一直比规定的身高线低一点。温差越大，压力差就越大，升华过程就进行得越快，就像风越大，风筝飞得越高。用真空就像给空气 “搬家”，能有效去除空气分子，让蒸汽分子更容易从样品穿过腔室进入冷凝器，加快升华过程。在初级干燥过程中，搁板温度一般会在几小时到几天的时间里，从−40 逐渐升高到 + 20°C。上层搁板和小瓶侧壁的热传导，还有辐射热，就像两个传递热量的小使者，是搁板温度间接影响样品冰温的两种方式。

二级干燥

这个阶段，真空泵就像一个勤劳的小助手，帮忙建立脱溶剂必需的低压环境，让产品看起来干干爽爽。产品里的结合水量（一般叫残留水），就像小朋友手里剩下的零花钱，取决于产品在这个阶段的暴露时间。把搁板温度升高到允许的最大值，就能像控制零花钱的使用一样，有效控制和改善消除残留水的过程。不过，生物材料就像娇弱的小花，一般不会暴露在 40 - 45°C 以上的温度下，不然就会 “受伤” 变性。对于储存在小瓶里的药物样品，标准做法是把水分含量控制得越低越好，理想情况下在 1 - 3% 的范围内，这样才能最大程度延长产品的使用寿命，就像给产品吃了 “长寿药”。

初级和二级干燥过程中的应力

在初级干燥阶段，冻结的水就像会 “瞬间移动”，从固态直接变成气态，残留的吸附水在次级干燥阶段解吸。这里有两个很有意思的理论，水替代理论和玻璃化概念，在各种胶体系统里都很有用。

1.水替代假说 ：这个理论就像给胶体表面的水分子找了个替代者，假设用糖分子取代胶体表面的水氢键，这样在干燥过程中就能维持分子结构。当糖分子能很好地贴合胶体不平整的表面时，氢键的作用就能发挥到最大，形成无定形状态，而不是结晶状态。Crowe 等人最早提出这个概念，是用于脂质双层制剂（也就是脂质体）。在干燥条件下，磷脂头部基团里的间质水分子，就被添加的糖分子替换掉了。这样，磷脂头部基团之间的距离就能保持住，酰基链之间的范德华相互作用也降低了。这个理论还得到了分子模拟研究的支持，研究证明了磷脂和冷冻保护剂分子之间有氢键连接，进一步佐证了该理论的科学性。

图4. 冻干和再水化过程中脂质双层的水替代机制。

2.玻璃化假说 ：玻璃化理论就像是给干燥状态下的胶体和化学物质的稳定性提供了一把 “动力学钥匙”。胶体被包裹在固体聚合物糖基质中，就好比被困在一个 “保护罩” 里，这使得扩散、聚集、融合和其他形式降解的速率大幅降低。当温度超过 Tg 时，无定形基质就像变身了一样，转变成橡胶状态，这时候它就失去了动力学固定的特性。在充分玻璃化的情况下，要是 Tg 比储存温度至少高 10 - 20°C，那主要起稳定作用的就是水替换机制。不过，当材料在接近或超过 Tg 的温度下储存时，不发生玻璃化反而成了保持稳定性的关键因素。有趣的是，在冷冻干燥时，单独的玻璃化过程并不能给制剂提供足够的保护，特别是对于双层囊泡这种结构。比如，葡聚糖在稳定由鸡蛋磷脂酰胆碱组成的脂质体方面，效果就不如海藻糖。这是因为海藻糖的二糖结构更小，能更充分地与脂质双层接触，也就更有效地取代了水。所以说，玻璃化假说和水替代理论并不是互相矛盾的，它们更像是一对默契的伙伴，相互补充，因为这两种机制对于冻干来说都是必不可少的。