为新冠疫苗打造国产“弹匣”——药用中硼硅玻璃管的国产化

科技 2024-01-31 06:02 德国

2020年1月23日，为了对抗来势汹汹的新冠病毒，武汉封城。76天之后，我们初战告捷，全国大部分人的生活基本恢复正常。然而，国外不负责任、无能为力的“躺平”、“养蛊”造成一波又一波变异毒株和疫情高峰，不断冲击我们的防线，带来此起彼伏的输入疫情，最终导致2022年的爆发。好在我们的努力为自己争取到两年的疫苗研发、生产和接种时间。到2021年底，我国新冠病毒疫苗年产能达到70亿剂，31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团累计接种新冠病毒疫苗28.2亿剂次，建立起免疫屏障，最大限度地保护了人民生命安全和公共卫生安全。

如果说疫苗是我们对抗疫情的“子弹”，那么装疫苗的玻璃瓶就好比是装填弹药的“弹匣”。无论是由注射器抽取药剂的西林瓶（早期盘尼西林多用其盛装，故名），还是集药物储存和注射于一体的预灌封注射器，都需要使用药用玻璃作为包装材料。

疫苗或其他注射剂在储存过程中与玻璃瓶长期接触。为了避免药剂遭到污染而影响药品质量和用药安全，对药用玻璃瓶的化学稳定性和热稳定性提出了很高的要求，在水和酸碱的长期浸泡下要避免硅、铝成分和有害杂质的浸出及玻璃屑的脱落，还要耐受冷冻干燥、加热灭菌、储存运输等过程中的高、低温变化。

目前，我国的药用玻璃瓶以低端的钠钙硅玻璃（以二氧化硅、氧化钙和氧化钠为主要成分，与普通玻璃类似，但通过表面处理提高稳定性）和低硼硅玻璃（三氧化二硼含量5%~8%）为主，稳定性较差。向玻璃中添加更多的硼可以提高稳定性，降低热膨胀系数，但B₂O₃含量超过12%的高硼硅玻璃的加工温度高、成形难度大、价格高昂，很少用于药品包装。B₂O₃含量在8%~12%的中硼硅玻璃是国外药用包装的主流，欧美已强制要求所有注射制剂和生物制剂使用中硼硅玻璃包装。

随着新冠病毒疫苗的大规模接种，中硼硅玻璃瓶的需求急剧增长。疫苗用玻璃瓶是以玻璃管为原料生产的，但此前我国尚未掌握中硼硅玻璃管的生产技术，完全依赖进口。国际上，中硼硅玻璃管的主要生产商是德、美、日的三家特种玻璃巨头——肖特（Schott）、康宁（Corning）和电气硝子（NEG），占据了80%的全球市场份额。然而，全球玻璃管产能不足导致供货周期长达半年，显然对我国疫苗接种布局造成不利影响。

受制于人怎么办？

当然是要自主研发，打破卡脖子枷锁！

中硼硅药用玻璃比普通玻璃的粘度更高、流动性更差

第一关是玻璃配方的开发和熔制。

玻璃的配方一般折算成各元素氧化物的含量来表示。中硼硅玻璃的典型配比是70～75％左右的二氧化硅、10％左右的三氧化二硼、5％左右的氧化铝、10％以内的碱金属氧化物、1％左右的碱土金属氧化物，以及其他功能性组分，比如作为棕色玻璃着色剂的氧化钛。

二氧化硅是构成玻璃结构骨架的基础。熔融的二氧化硅快速冷却凝固时，原子来不及占据有序的结晶位置，得到的是无定型的固体，也就是石英玻璃，其中每个硅原子仍然结合了4个氧原子、每个氧原子连接两个硅原子，形成三维网络状骨架（原子的配位结构与二氧化硅晶体类似，但原子的排列不具备长程周期性）。石英玻璃被用于精密光学元件、耐高温耐腐蚀材料等，但其熔化温度高达1700℃，加工难度大。降低玻璃中的二氧化硅含量能够降低制造难度，但也降低了玻璃的稳定性。

加入三氧化二硼后，硼原子取代一部分硅原子，共同构建玻璃骨架。三价硼取代四价硅带来一个负电荷，能够牢固地束缚住碱金属阳离子，防止玻璃与水接触时碱金属离子的溶出，提高玻璃的耐水性。氧化铝的作用与硼类似，还能增强硼与硅的结合，但为了缓解铝在水中溶出的问题，药用中硼硅玻璃要控制铝的含量。

碱金属氧化物起助熔剂作用，破坏原本牢固连接的氧化物骨架（转变为硅酸盐、硼酸盐、铝酸盐相融合的骨架，碱金属阳离子分布在骨架的间隙），降低玻璃的熔点和黏度。但钾的化合物在高温下较易挥发，造成玻璃成分和性能的改变，因此中硼硅玻璃主要添加钠而不是钾。

碱土金属氧化物也起到修饰玻璃骨架的作用，降低加工温度，尤其是钙离子可以被牢固地结合于玻璃骨架而提高抗酸性，但镁离子易被溶出，用得较少。

熔制中硼硅玻璃的原料包括石英、硼砂、长石、纯碱、石灰等。它们在窑炉中被加热到最高1600多℃，发生反应、熔化、澄清、均化，得到均匀的玻璃液。相比于常规的钠钙硅玻璃（熔制温度1400~1500℃），中硼硅玻璃的成分更复杂、熔化温度更高、黏度更大，三氧化二硼在高温下还有挥发性，因此熔制温度窗口窄，获得均匀玻璃液的难度很高。

粘稠的玻璃液中裹挟着大量气泡（包括夹带的空气和原料分解释放的气体，上图为窑炉中冒泡的玻璃液），为了除去它们，需要加入澄清剂，一般为硫酸盐（如硫酸钠）或可变价氧化物（如二氧化铈），利用它们在高温下分解产生气体的特性，促进玻璃液中的小气泡长大、上浮排出，亦有添加卤化物（如氯化钠）作为澄清剂，通过打断硅－氧键骨架来降低玻璃液黏度，从而促进气泡排出。

接下来的难关是玻璃管的成型，也就是拉管。

中国建材集团旗下的凯盛君恒有限公司采用国际主流的丹纳法（由美国康宁公司的Danner在20世纪20年代发明）拉管工艺：玻璃液呈带状流出，缠绕在旋转筒上成为玻璃液膜，旋转筒倾斜安装且上大下小，玻璃液沿筒流下形成管根，被拉管机拉成玻璃管。

中硼硅玻璃拉管的主要难度在于它黏度高、成型困难，且需要使用耐高温、耐腐蚀、不与玻璃发生作用的铂铑合金作为玻璃液的流道（普通玻璃对杂质不敏感，使用陶瓷耐火材料即可）。

连续拉出的玻璃管被按一定长度裁断。

玻璃管的切口锋利、容易破碎，需做精切圆口处理。用火焰加热玻璃管两端靠近切口的地方，软化后把切口段拉断，管壁自然向内收缩把玻璃管封口，继续用火焰加热新的断口使之变得圆润。

早在疫情之前，国家有关部门就已出台政策鼓励药用中硼硅玻璃的发展。在2020年，四星玻璃和凯盛君恒成为国内头两家量产率中硼硅玻璃管的企业。此后，山东药玻、正川股份、旗滨医药、东旭集团、力诺特玻等相继投产了中硼硅玻璃。

与世界第一的德国肖特25万吨/年的产量相比，目前国内企业每家产能最多也就几万吨，市场占有率不高，距离打破国外巨头垄断还有很长的路要走，但我们已经实现了从零到一的突破，使美、德企业出口中国的价格下降了三分之一。

相较于中硼硅玻璃管，我国更早掌握了由管制瓶的工艺，此前依靠进口玻璃管进行生产。

以西林瓶为例，制瓶使用的是多工位自动制瓶机。玻璃管从上方插入，旋转着通过各个工位。

玻璃管下端由模具塑型为瓶口和固定瓶盖所用的瓶颈。

把玻璃管熔断成药瓶的长度。

用火焰灼烧修整瓶底。

另外，还有从玻璃液直接通过模具成型为瓶子的模制工艺，制得的瓶壁较厚，适合来制作输液瓶、口服液瓶等较大的瓶子。

与刚才说的拉管类似，制瓶的难点同样在于中硼硅玻璃成型困难。

如今，新冠病毒疫苗接种的高峰期已过，还有必要继续加大药用中硼硅玻璃的投入力度吗？

我国药用玻璃的年用量约30万吨，但2018年时中硼硅玻璃仅占其中的7-8％，远远落后于国际先进水平。目前中硼硅玻璃正以每年5%-10%的速度对低端药用玻璃进行替换，即便没有疫情，发展前景也非常广阔。

回顾新冠疫情之初，我们一度面临口罩、防护服、手套等防护用品的短缺，但迅速动员起来的中国工业体系爆发出惊人的产能，成为全人类的抗疫“兵工厂”。这是因为，我们已经掌握了所需的关键技术、材料和装备；我国完整的工业体系和独步全球的工业规模为应急扩产、转产提供了坚实的支撑；我们强大的组织动员能力能够在最短的时间内完成人力物力保障。

疫苗的生产也一样。

我们无法预知下一次疫情将由何种病原体在何时引发，显然不可能未卜先知地提前储备好供全国人民使用的疫苗。我们能做的是储备好相应的技术和生产能力，只待一声令下，就能在最短的时间内投入应急生产。新冠疫情是对这种“平战转换”能力的考验和提升。

我们不希望这样的能力再次被调用，但我们必须为未来的挑战做好更充分的准备。让国产疫苗再也不受制于药瓶的供应，这就是中硼硅玻璃管国产化的战略意义。

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参考资料和主要素材来源：

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https://tv.cctv.com/2022/09/26/VIDEHyCSF0Lr2nYnOED83RKg220926.shtml

中央电视台. 《经济信息联播》20210324破除疫苗瓶“瓶颈” 药用玻璃瓶需求激增原料高价难求.

https://tv.cctv.com/2021/03/24/VIDEkkyEN0QRd3LIXSYafXf1210324.shtml?spm=C52448022284.PW2xuDfTTEjh.0.0

中央电视台. 《经济信息联播》20201030药用中性硼硅玻璃管在河北魏县投产.

https://tv.cctv.com/2020/10/30/VIDEWAdjuzBJ8kuYpRQcXNeR201030.shtml

甘肃卫视. 《甘肃新闻》20220721中国首台全氧燃烧中硼硅药玻窑炉在天水点火投产

https://news.cctv.com/2022/07/21/VIDEIQwhfWxSapcNVLfVLDQE220721.shtml

中央电视台. 《走近科学》20181012物从何处来·玻璃.

https://tv.cctv.com/2018/10/23/VIDECsIzNowMaNV0PJVVDeUG181023.shtml

玻璃生产技术讲座.

https://wenku.baidu.com/view/3177767a32687e21af45b307e87101f69e31fb27.html?fr=income4-doc-search&_wkts_=1705734450228&wkQuery=%E4%B8%B9%E7%BA%B3%E6%B3%95%E7%8E%BB%E7%92%83

廖宇虹,盘书进.小玻璃瓶背后的重大突破.湘声报,2023-04-14(006).

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孔令歆,王答成,徐莉华,等. 药用中硼硅玻璃发展与料方组成. 玻璃,2023,50(12):11-15.

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http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTU5NDAyNg==&mid=2247489973&idx=1&sn=b3fd28cb81b4c85333b2028dbfe16210

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材料小博士，其实不打铁。虽无球差校正眼，但怀扫描透射心。尝试从一闪而过的荧屏画面中解读材料科学密码，见证中国科技进步。

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