共享:冻干制剂经验谈

上一篇 / 下一篇  2010-12-06 15:34:29

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  一、冻干制剂并不难

  冻干机体积硕大,动辄充栋盈屋。庞然如斯,总不免让人产生难以驾驭的错觉。其实,从冻干机理来看,冻干机无非就是一种两台大冰箱加一个真空泵的结构。其中一个冰箱首先负责把药品冻成冰块,然后开动真空泵营造一种低真空的环境。在此减压环境下,物体的沸点、熔点等热常数都相应降低,因而,箱内的药品轻微受热后即能在低温条件下从固体升华为气体。这些气体随即流向另外一个大冰箱,被捕捉下来重新凝结成冰块。当药品的水分完全抽干以后,便完成了一个冻干过程。

  冻干操作中最为关键的环节当数对制品共熔点(或共晶点)温度的把握。如果能够在制品温度上升到共熔点之前把大部分的水分抽去,那么成功也就为期不远了。所谓共熔点,就是溶液全部凝结的温度。常用的共晶点测量仪器主要是基于相变过程中电阻率突变的原理来制作的。但不少品种对共熔点(或共晶点)温度的要求并不需要过于精确,一般来说,我们可以在预冻阶段通过视窗来观察制品性状的变化来获得。当制品开始结冰的时候,浸入制品中的电热偶所探测到的温度会突然回升,这是因为结冰过程的放热现象所造成的。这时候,我们录得的温度就大致接近于共熔点(或共晶点)温度。

  在共熔点(或共晶点)之前抽去90%以上的水分的过程在专业术语上称为一次干燥期。判断一次干燥结束的时间也是比较重要的。过早或过晚判断,都会造成冻感、干品质的降低或能量和时间的消耗。最直观的方法,是根据制品的形状来判断。一次干燥后期,大部分水分被抽去。就好象随着洪水退去,墙面的水线不断下降一样,我们可以观测到制品上面也有一条水线不断下降,直至消失。水线消失,也就意味着一次干燥即将结束了。第二种方法,可以根据箱内压力的变化趋势来加以判断,当大部分被抽去以后,箱内的压力将不断下降,直至呈现线形。第三种方法,可以根据制品温度的变化来判断。当大部分被抽去以后,我们会发现,制品的温度与搁板的温度会越来越接近。

  为了缩短干燥时间,除了可在预冻阶段的晶形做文章以外,还可以在升华阶段适当地掺入气体,使真空值在一定范围内波动(一般不宜超过30Pa)。这种办法使热传递方式不再是靠热传导来主打,还增强了热对流的方式,加快了水分解析的速度,每每奏效。

  二、预冻速率

  我服膺于这样一种说法,即,预冻过程在很大程度上决定了干燥过程的快慢和冻干产品的质量。通常介绍冻干理论的书籍都会提到,降温速率越大,溶液的过冷度和过饱和度愈大,临界结晶的粒度则愈小,成核速度越快,容易形成颗粒较多尺寸较小的细晶。因而冰晶升华后,物料内形成的孔隙尺寸较小,干燥速率低,但干后复水性好;相反,慢速冻结容易形成大颗粒的冰晶,冰晶升华后形成的水气逸出通道尺寸较大,有利于提高干燥速率,但干后复水性差。

  这样说当然没有错,可是不要忘记,这种理论是在受热均匀的前提下得出来的,然而我们厂里的医药冻干机所提供的冻干条件却没有这么理想,所谓快冻慢冻,可不是导热油降温快慢一句话可以了得的。相对而言,我还是比较赞成医药网络论坛丁香园战友tinybayonet的提法。他把快冻慢冻分为以下几类:1、板温降得较快,且板温比品温低很多,则制品底部先冻结产生结晶,但上部液体仍较热,所以不至于瞬间全部结晶,结晶会缓慢生长,就得到了慢冻的效果。2、板温降得较慢,板温与品温相差不大,则制品整体均匀降温,并形成过冷,当能量积累足够时,瞬间全部结晶,得到了快冻的效果。3、板温降得很慢,并在低于共熔点的适宜温度保持(或缓慢降温),则制品形成较小的过冷度,液体中先出现少量结晶,继续降温结晶生长,得到大结晶,这即是真正的慢冻。4、制品浸入超低温环境(如液氮),整体瞬间结晶,形成极细小的晶体(或处于无定形态),这即是真正的快冻。

  更何况,企业大多数情况下还是采用瓶冻的冻干方法的,瓶冻的受热不均匀现象就更明显了。根据对瓶装制品搁板预冻过程的研究,样品初温越高,样料液上下部分的温度梯度越大,冰晶生长速度越慢。溶液若慢速降温,则形成冰晶比较粗大,冰界面由下向上推进的速度慢,溶液中溶质迁移时间充足,溶液表面冻结层溶质积聚也就多。因而导致上表层的溶质往往较多,密度较高,而下底层密度较小,结构疏松。同时,在不同的预冻温度下冻结的样品,干燥后支架孔径人小有明显差异。预冻温度愈低,支架孔隙直径愈小。这种分层现象,在骨架差的制品上体现得最为明显,或者底部萎缩,或者中间断层,或者顶部突起,或者顶部脱落一层硬壳,不一而足。

  为了瓶冻分层的现象,在实践中,有人提倡使用三步法,即将样品从室温先冷却至样品的初始冻结温度;停止降温过程,使样品内温度自动平衡,消除其内的温度梯度;然后再迅速降温,由于此时样品整体温度离结晶温度较近,且样品在冻结过程中,样品温度下降较慢,故样品在冻结过程中温度梯度会相对较小,冰晶生长速度必相对较快。如此,便提高了预冻速率,解决了溶质聚集在上层的问题。不过,并不是所有的品种使用了三步法后都能取得明显效果的。

  三、溶媒结晶品和冻干品的优劣

  商务部有位同事曾经问我,溶媒结晶品和冻干品,孰优孰劣?我当时都不知道如何回答。在我看来,很难一言以蔽之。

  理论上,冻干品中的活性成分以结晶态或无定形态(非晶态)的形式存在。一般对于抗生素来讲,以晶态存在时,具有更高的稳定性。在储存过程中,无定形态总有向晶态转变的趋势。因此,我只能说在许多情况下溶媒结晶的抗生素类稳定性可能要好一些。不过,这种差别有时候不是特别大,而且溶媒结晶品的价格可能数倍冻干品,两相权衡,有些人还是会选择冻干品的。

  只是,我有一点困惑。理论上,晶态结构的溶解性要比无定形态差,可是有人研究发现,对于某些抗生素药物,溶媒结晶品的溶解性优于冻干品。关于这种现象,我一时间找不到理论支持,甚为困惑。

  至于生物类制品就不一定欢迎结晶态了,因为冻结过程中冰晶的生长会对组织和结构造成损坏。顺便提一下,非晶态材料主要有金属、无机物和有机物三类。玻璃态原来专指硅酸盐类的无定形态,可是后来泛而用之,所有的无定形态(非晶态)也称为玻璃态了。

  四、关于澄清度和可见异物

  有位第四军医大的网友包老师,很喜欢跟人切磋冻干问题。他认为,浑浊、乳光或可见异物的出现与不溶性微粒的大小有关。小于10nm的微粒才是清澈透明的;当微粒大于100nm时,微粒出现在溶液中,可以引起浑浊;在10-100nm范围内,产生光散射,就可以观察到乳光、浑浊;微粒再大一些,就有沉淀和结晶析出了,这就是μm级的了。我不知道他这种说法出处在哪,可是根据我自己的体会,我是赞成的。

  1、配料工艺。如配料的水温、加料的顺序、活性炭的吸附时间和温度、料液放置时间等。

  2、物料稳定性。有的原料存在多晶型,不同晶型的稳定性是不一样的;有的原料对温度敏感;有的原料对pH敏感;有的原料对氧化敏感,等。不稳定性物质的分解物很可能就是异物的来源。

  3、料液性质。料液的浓度是个很重要的因素,这个恐怕不需要强调了。此外,对于料液的 pH稳定性也要给予足够的重视。比如,使用缓冲对时,分析课本上的三大原则要谨记:pka尽量接近于pH,尽量使缓冲比接近于1,浓度适当地大。

  4、辅料性质(如挥发性等),最明显的就是盐酸、碳酸氢钠等例子。

  5、预冻。关于快冻、慢冻等老生常谈的话题不提也罢,倒是反复预冻有点意思。反复预冻可以减小由于成核温度差异造成的冰晶尺寸差异及干燥速率的不均匀性,提高干燥效率和制品均匀性;强化结晶,使结晶成分和未冻结水的结晶率提高。大家可以在实践中揣摩一下它的妙处。

  6、升华。升华速度和温度对澄清度会有影响,我了解到的情况主要有以下两点。第一,主要是一次升华期。如果率先干燥的上层物料温度上升得过快,达到坍塌温度时,多孔性骨架刚度降低,干燥层内的颗粒出现脱落,会封闭已干燥部分的微孔通道,阻止升华的进行,使升华速率减慢,甚至使下层部分略微萎缩,影响制品残留水分的含量,导致复水性、稳定性和澄清度同时变差。第二,主要是二次升华期。小晶体由于具有很高的表面能,在热力学上是不稳定的,尤其是快速冷却过程中形成的小冰晶,在加热时有可能会发生再结晶,小冰晶之间相互结合形成大冰晶,使其表面积与体积之比达到最小,而大冰晶使冻干品外观不好,复水性差。因此,过高温度或过长时间地升华或保温,有时候会对某些品种不利,最明显的例子就是澄清度不合格。

  7、制品成型性、残留水。有的品种,不怕空气,就是怕温度或水分。一旦获得了水和温度,变化就很迅速了。

  8、真空、充氮。有没有抽真空,有没有充氮,能否将制品与氧气彻底隔离起来,避免缓慢氧化,有时候显得格外重要的。

  9、内包材。最常见的例子就是胶塞。胶塞不仅可能吸附主药,还可能含有许多助剂,比如硫化剂。丁基橡胶药用瓶塞的生产过程中少不了硫化。在其硫化过程中,不同的硫化体系,其生成的交联键型和可迁移物质的不同,这样胶塞在储存、高温消毒、药品封装中,低聚物的迁移性分子键联的稳定性均不同,从而影响药物的相容性。此外,在瓶塞的生产、加工, 包装、储运等过程中,均不可避免地会发生瓶塞与设备之间,瓶塞与瓶塞之同曲摩擦,这些摩擦不可避免地产生了微粒。因此,作为制剂企业,如何避免胶塞清洗过程中的过多摩擦,也是车间技术人员需要注意的地方。还有瓶塞的透气性,透水性易造成对水份敏感的制剂吸潮变质。作为制剂厂,我们至少要保证清洗以后的胶塞能得到良好的烘干。

  10、结晶原理无论是小水针还是冻干品,都经常听见谁在求助某某品种出现澄清度或可见异物不合格。我猜想,有一部分原因可能与结晶有关。一般来说,浓度较高的料液中的可溶性粒子都具有成为结晶理论中的核前缔结物的可能,当具备一定的形成结晶的条件时,这些核前缔结物就会不断合并,形成晶核。晶核一旦产生,晶体就生长起来了。

  结晶原理告诉我们,无论是晶体生长线速率,或是晶体生长的质量速率,都取决于溶液的过饱和度或熔体的过冷度,取决于温度、压力、液相的搅拌强度及特性、杂质的存在等。

  (1)搅拌能促进扩散加速晶体生长,但同时也能加速晶核的形成。

  (2)温度升高有利于扩散,也有利于表面化学反应速度提高,因而使结晶速度增快。

  (3)过饱和度增高一般会使结晶速度增大,但同时引起黏度增加,结晶速度受阻。

  (4)至于杂质,其作用机理则是比较复杂的。下面重点阐述:

  无机的和有机的可溶性杂质,可以对过饱和度、新相晶核形成以及晶体生长产生很大的影响。这些作用的机理也许是不同的,它既取决于杂质和结晶物质的性质,也取决于结晶的条件。

  当杂质存在时,物质的溶解度可能发生变化,因而最终导致溶液的过饱和度发生变化。溶解度变化的原因可能不同,既可能是出现盐析效应,溶液的离子力作用,也可能出现化学相互作用。杂质也可能与所生成的新相晶粒直接作用。可能是杂质粒子直接参与核前缔合物的长大过程,也可能吸附于结晶中心的表面上。同时,成核的速度可能因此而减慢,也可能加快。

  杂质还可能导致结晶物质的晶形的变化,具体地说,导致晶面大小比例的变化。举例来说,从不含杂质的氯化铵溶液中结晶得到的是数枝状晶体,但是在含有杂质的氯化铵溶液中,树枝状的晶体分解为单独的箭形和十字形的连生体,甚至渐变为荷叶形、玫瑰花瓣形晶体,至于最终变成哪种形状的晶体,取决于杂质的浓度。晶面形状开始发生变化时的杂质浓度,称为限界浓度。(注意:晶形不同于晶体型,晶形的变化是指晶面大小比例的变化,晶面大小比例的变化无论如何也不会影响晶格结构,也就是晶型,无论晶面形状发生什么变化,晶格结构都是一样的。)

  “我的每一分钟都在思考”曾举了个肌苷口服溶液和肌苷注射液的例子,在此个例中,尽管使用的肌苷原料都是药典标准,在配置过程中,加碳前仍旧能观察到溶液呈明显的乳光,但是,加碳吸附、过滤后溶液就变的澄清了。这是个最明显的例子,尚且可以通过滤膜除去,换成其他品种就没那么容易察觉了,常常令人感到难以理解,这就要靠技术人员根据不同品种、不同生产条件去积极探索了。技术人员的价值实际上是无处不在的,就看您愿不愿意发挥自己的聪明才智了。


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