凍干制劑經驗談：共熔點、預凍速率、凍干品

一、凍干制劑并不難

凍干機體積碩大，動輒充棟盈屋。龐然如斯，總不免讓人產生難以駕馭的錯覺。

其實，從凍干機理來看，凍干機無非就是一種兩臺大冰箱加一個真空泵的結構。其中一個冰箱首先負責把藥品凍成冰塊，然后開動真空泵營造一種低真空的環境。在此減壓環境下，物體的沸點、熔點等熱常數都相應降低，因而，箱內的藥品輕微受熱后即能在低溫條件下從固體升華為氣體。這些氣體隨即流向另外一個大冰箱，被捕捉下來重新凝結成冰塊。當藥品的水分*抽干以后，便完成了一個凍干過程。

凍干操作中為關鍵的環節當數對制品共熔點（或共晶點）溫度的把握。如果能夠在制品溫度上升到共熔點之前把大部分的水分抽去，那么成功也就為期不遠了。所謂共熔點，就是溶液全部凝結的溫度。

常用的共晶點測量儀器主要是基于相變過程中電阻率突變的原理來制作的。但不少品種對共熔點（或共晶點）溫度的要求并不需要過于，一般來說，我們可以在預凍階段通過視窗來觀察制品性狀的變化來獲得。當制品開始結冰的時候，浸入制品中的電熱偶所探測到的溫度會突然回升，這是因為結冰過程的放熱現象所造成的。這時候，我們錄得的溫度就大致接近于共熔點（或共晶點）溫度。

在共熔點（或共晶點）之前抽去90%以上的水分的過程在專業術語上稱為一次干燥期。判斷一次干燥結束的時間也是比較重要的。過早或過晚判斷，都會造成凍感、干品質的降低或能量和時間的消耗。

直觀的方法，是根據制品的形狀來判斷。一次干燥后期，大部分水分被抽去。就好象隨著洪水退去，墻面的水線不斷下降一樣，我們可以觀測到制品上面也有一條水線不斷下降，直至消失。水線消失，也就意味著一次干燥即將結束了。第二種方法，可以根據箱內壓力的變化趨勢來加以判斷，當大部分被抽去以后，箱內的壓力將不斷下降，直至呈現線形。第三種方法，可以根據制品溫度的變化來判斷。當大部分被抽去以后，我們會發現，制品的溫度與擱板的溫度會越來越接近。

為了縮短干燥時間，除了可在預凍階段的晶形做文章以外，還可以在升華階段適當地摻入氣體，使真空值在一定范圍內波動（一般不宜超過30Pa）。這種辦法使熱傳遞方式不再是靠熱傳導來主打，還增強了熱對流的方式，加快了水分解析的速度，每每奏效。

二、預凍速率

我服膺于這樣一種說法，即，預凍過程在很大程度上決定了干燥過程的快慢和凍干產品的質量。

通常介紹凍干理論的書籍都會提到，降溫速率越大，溶液的過冷度和過飽和度愈大，臨界結晶的粒度則愈小，成核速度越快，容易形成顆粒較多尺寸較小的細晶。因而冰晶升華后，物料內形成的孔隙尺寸較小，干燥速率低，但干后復水性好；相反，慢速凍結容易形成大顆粒的冰晶,冰晶升華后形成的水氣逸出通道尺寸較大，有利于提高干燥速率，但干后復水性差。

這樣說當然沒有錯，可是不要忘記，這種理論是在受熱均勻的前提下得出來的，然而我們廠里的醫藥凍干機所提供的凍干條件卻沒有這么理想，所謂快凍慢凍，可不是導熱油降溫快慢一句話可以了得的。相對而言，我還是比較贊成醫藥網絡論壇丁香園戰友tinybayonet的提法。他把快凍慢凍分為以下幾類：1、板溫降得較快，且板溫比品溫低很多，則制品底部先凍結產生結晶，但上部液體仍較熱，所以不至于瞬間全部結晶，結晶會緩慢生長，就得到了慢凍的效果。2、板溫降得較慢，板溫與品溫相差不大，則制品整體均勻降溫，并形成過冷，當能量積累足夠時，瞬間全部結晶，得到了快凍的效果。3、板溫降得很慢，并在低于共熔點的適宜溫度保持（或緩慢降溫），則制品形成較小的過冷度，液體中先出現少量結晶，繼續降溫結晶生長，得到大結晶，這即是真正的慢凍。4、制品浸入超低溫環境（如液氮），整體瞬間結晶，形成極細小的晶體（或處于無定形態），這即是真正的快凍。對于tinybayonet提到的這幾種現象，我都在試驗過程中發現過，因此，我還是比較贊成這種劃分方法的。

更何況，企業大多數情況下還是采用瓶凍的凍干方法的，瓶凍的受熱不均勻現象就更明顯了。根據對瓶裝制品擱板預凍過程的研究，樣品初溫越高，樣料液上下部分的溫度梯度越大，冰晶生長速度越慢。溶液若慢速降溫，則形成冰晶比較粗大，冰界面由下向上推進的速度慢，溶液中溶質遷移時間充足，溶液表面凍結層溶質積聚也就多。因而導致上表層的溶質往往較多，密度較高，而下底層密度較小，結構疏松。同時，在不同的預凍溫度下凍結的樣品，干燥后支架孔徑人小有明顯差異。預凍溫度愈低，支架孔隙直徑愈小。這種分層現象，在骨架差的制品上體現得為明顯，或者底部萎縮，或者中間斷層，或者頂部突起，或者頂部脫落一層硬殼，不一而足。

為了瓶凍分層的現象，在實踐中，有人提倡使用三步法，即將樣品從室溫先冷卻至樣品的初始凍結溫度；停止降溫過程，使樣品內溫度自動平衡，消除其內的溫度梯度；然后再迅速降溫，由于此時樣品整體溫度離結晶溫度較近，且樣品在凍結過程中，樣品溫度下降較慢，故樣品在凍結過程中溫度梯度會相對較小，冰晶生長速度必相對較快。如此，便提高了預凍速率，解決了溶質聚集在上層的問題。不過，并不是所有的品種使用了三步法后都能取得明顯效果的。

三、溶媒結晶品和凍干品的優劣

商務部有位同事曾經問我，溶媒結晶品和凍干品，孰優孰劣？我當時都不知道如何回答。在我看來，很難一言以蔽之。

理論上，凍干品中的活性成分以結晶態或無定形態（非晶態）的形式存在。一般對于抗生素來講，以晶態存在時，具有更高的穩定性。在儲存過程中，無定形態總有向晶態轉變的趨勢。因此，我只能說在許多情況下溶媒結晶的抗生素類穩定性可能要好一些。不過，這種差別有時候不是特別大，而且溶媒結晶品的價格可能數倍凍干品，兩相權衡，有些人還是會選擇凍干品的。

只是，我有一點困惑。理論上，晶態結構的溶解性要比無定形態差，可是有人研究發現，對于某些抗生素藥物，溶媒結晶品的溶解性優于凍干品。關于這種現象，我一時間找不到理論支持，甚為困惑。

至于生物類制品就不一定歡迎結晶態了，因為凍結過程中冰晶的生長會對組織和結構造成損壞。順便提一下，非晶態材料主要有金屬、無機物和有機物三類。玻璃態原來專指硅酸鹽類的無定形態，可是后來泛而用之，所有的無定形態（非晶態）也稱為玻璃態了。