注射剂冻干研究溶液结晶参数解决裂瓶应用

创业 2025-01-03 16:00 北京

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无菌注射剂冷冻干燥工艺的产品具备性质更加稳定，活性不易被破坏、水分低、保质期更长等优点，越来越多的注射制剂包括高端生物制品等均选择使用冷冻干燥工艺，但部分产品在该制造过程中受到药物本身性质、玻璃瓶材质、工艺、设备等的影响经常会出现玻璃瓶身发生破裂或裂纹等现象，冻干注射剂发生破裂意味着产品极易受到外界空气中的水分和微生物的污染，严重影响产品质量，对患者造成严重的安全隐患。

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冻干注射制剂产品在冷冻干燥后，产品呈圆饼状粉末，表面饱满、颜色均一，管制瓶完整。然而有些产品由于物质本身特性、设备性能差或其它因素影响以及冻干工艺未调整到该产品所需的最好工艺状态，总会出现一些质量问题，如萎缩、变色、喷瓶、裂瓶等。严格来说这些问题未得到解决，流入市场将会有很大的安全隐患，如药物外观萎缩、变色、融化现象说明产品可能内在属性如水分、有关物质等已经发生变化，管制玻璃瓶发生破裂、裂纹会导致由于瓶身不密封受到外部空气、水分和微生物的污染，造成该产品无菌项目、水分、有关物质、复溶性等不合格，产品上市后用药安全得不到保障。另外产品在冷冻干燥之后通常这种裂瓶或小裂纹的产品的检出率很低，国内目前拥有自动灯检机的企业并不是很普及，绝大多数冻干企业使用的灯检设备多为人工灯检，靠肉眼识别出明显的裂纹还可以，但细微裂纹是很难以被发现出来的，有些生产过程中细微裂纹还未到产生的受力点，当时没有出现裂纹，经过运输等外力碰撞则会再次出现裂瓶，极细微裂纹医护人员使用过程中也是难以发现的，所以冷冻干燥后造成的裂瓶对市场用药安全风险特别高。针对冷冻干燥过程当中出现的这些质量问题，我们则需单独研究，使用目前可靠的检测手段，摸索数据后进行分析，找到问题所在，针对不同产生原因进行针对性的解决。

Part.01

冷冻干燥裂瓶原因分析

1.1

常见裂瓶原因

通常裂瓶的原因较多，解决的方向和难易程度亦不一样，如管制瓶质量较差、冷冻干燥工艺不合理、药液浓度过大、装量过大、设备性能等，常见低质量低硼硅管制玻璃瓶、设备板层温度分布不均匀等硬件问题比较容易解决，变更管制玻璃瓶厂家或提升管制玻璃瓶质量，做好相关的验证即可，但认为在生产高风险无菌注射剂使用时应尽可能减少低质量低硼硅玻璃瓶的使用，设备问题则做好设备维护保养和设备再确认，确保设备性能满足工艺要求，避免由于设备原因在冷冻干燥过程中产生。本文主要对冷冻干燥过程产品物质本身性质和工艺设计不合理导致的裂瓶问题做一些探讨和分享。

1.2

冷冻干燥过程裂瓶原理

冷冻干燥过程中，管制玻璃瓶的破裂一般集中在瓶底或瓶身，裂瓶的主要原因是溶液在冷冻的某个阶段突然大量的结晶，结晶现象使分子剧烈运动产生膨胀，膨胀产生的作用力将瓶子某个部位撑破。冻干产品预冻的期间本身不会裂瓶，预冻结束后制品在升华时升温过程中容易发生裂瓶，主要原因是预冻降温速率过快、预冻时间和温度条件不够，未将溶液冷冻结实。不同浓度和性质的溶液均有各自特有结晶的温度点、时间点，多种成分的溶液在不同的温度点结晶，甚至会改变原主要成分的结晶时段，在需要结晶的温度时段未完全结晶，而在升华阶段当温度再次升到其结晶温度点时，由于隔板升华加热先受热部位为瓶底，瓶内底部结冰先行融化，未结晶部分则会大量二次结晶，最终产生裂瓶，往往裂瓶最容易发生在底部，所以，从根本原因上要解决裂瓶的问题，前期预冻过程将溶液预冻彻底是基础，如果预冻彻底的溶液均已冻结成冰，在需要结晶的温度充分让其结晶，不留有二次结晶的机会，裂瓶机率就会减少很多。通常灌装量较少、溶液浓度较低的在预冻过程中可以很快的冻结，冷冻的时间也不需要过长，药液灌装量大、浓度高的溶液相对就比较难以彻底冷冻结实，要将冻结难度大的溶液彻底冻结实就需要设置相应的冷冻速率、降低预冻温度或延长预冻的时间^[1-2]。

Part.02

冷冻干燥过程裂瓶检测和手段解决方法

2.1

检测和解决方法

摸索出产品的最佳冻干曲线是解决问题的首要问题，国内注射剂冷冻干燥法虽然历经几十年，但科学的工艺技术摸索方式并没有得到特别大的突破，多数依旧停留在以冻干设备本身基础上研究工艺曲线，很难摸索到物质实际属性，突破产品技术难题就比较局限。近年来国内冷冻干燥领域开始慢慢和国际接轨，一些冻干设备企业的仪器设备水平也有了很大的提升，但对于冷冻干燥参数科学检测方法和国际现有先进冷冻干燥检测方法还有一定的差距，目前比较先进和常用的如摸索冻干过程的冻干显微镜，检测聚合物热力学和动力学的 DSC 差示扫描仪，检测物质粉末晶型的 X 射线衍射图谱仪。结合由于物质本身性质以及工艺设计不合理导致的裂瓶原因，现与冷冻干燥主流数据和曲线摸索的方法进行分析探讨。

2.1.1 冻干显微摸索：

采用冻干显微镜来观测其冻干过程，冻干显微镜是一种可以快速模拟整个冻干过程的先进仪器^[3-4]，近年来，科研工作者不断对冻干显微镜的结构和技术参数进行改进，使观测到的冻干结构和测定的塌陷温度更加接近冻干机实际生产过程，并取得了许多显著成果。原理与冻干机相类似，配备高倍电子显微镜与计算机连接，可以很快速、直观的观察到溶液从预冻、升华、干燥的每个阶段的变化。设备设定好预冻、升华和干燥的温度区间和时间，通过观察冻干过程中结冰点、结晶点、结晶速率、完全结晶时段、崩塌温度等溶液物理变化，可以找到并分析最佳结晶温度、完全结晶时段和崩塌温度，确定了物质的结晶温度和塌陷温度，让样品在结晶完全结束后再适当延长一部分时间，继续在该温度段冷冻使物质达到“养晶”过程，目的是使需要结晶物质在这个阶段完全结晶彻底。摸索出该物质的参数后，再反复通过小试冻干设备参照冻干显微镜摸索出的参数进行重现即可。通过冻干显微不但可以摸索结晶时间优化裂瓶问题，还可以避免在崩塌温度阶段升华导致产品的塌陷，设定工艺时则可以避开产品崩塌温度，提前让产品升华完毕。

2.1.2 DSC 差示扫描量热法摸索^[5]：

这是一种测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术，可以直观的分析样品吸热和放热的过程，可以准确的测定研究物质的结晶温度、共晶温度、玻璃化转换温度。溶液在从液体冻结到固体的过程当中内部存在形态的转变，冷冻至形成玻璃态时，分子链不再运动，晶体则无法形成，所以需要溶液在共晶点温度后，玻璃化转换温度前使其完全结晶彻底。摸索玻璃化转换温度和共晶温度可以采用 DSC 差示扫描仪检测，根据 DSC 差示扫描量热法分析摸索可以选择在物质接近玻璃态前延长预冻时间、降低冷冻温度或使用退火工艺使其充分结晶。如某药物溶液检测到其玻璃化转换温度为-26℃，共晶点温度为-23℃，则可以在溶液转换成玻璃态前，共晶温度后选择一个温度点充分的结晶和“养晶”，待充分结晶后再转入升华阶段后期裂瓶机率就会大幅降低。

2.1.3 冻干机小试：

即在小试冻干机上实验冷冻干燥过程，预冻阶段观测制品的温度来监测制品是否冻结实，当制品温度达到预设定的温度并有规律的保持较长时间，可认为该溶液冷冻结实。如冻干机导热油的温度设定-45℃，降温速率控制在 2℃/min，预冻程序启动后，观察 1h 制品温度为-40℃，2h制品温度为－42℃，3h制品温度为-44℃，5h制品温度为－ 45℃，6h 制品温度为-45℃，7h 制品温度为-45℃，经过多次实验规律一致，预冻温度曲线稳定在 5h 之后不再有波动，可以认为 6h 以上预冻温度已经结束，预冻时间则按照 6h 或增加一段养晶时间。但直接在冻干机上实验难以观察到过程的共晶温度和玻璃化转换温度，摸索难度较大，很难准确的摸索到最佳的结晶温度点，所需要花费大量的时间开展正交实验。以上方法可以结合运用，摸索出最佳的预冻时间和预冻温度参数，(还要特别注意真空度的应用，真空度与升华速率成直接的关系) 使溶液在适合的预冻温度内充分、完全的结晶，减少或消除产品没有完全结晶在升华时段，再次出现快速结晶的情况。

Part.03

结语

不同溶液的性质、浓度不同对产品裂瓶所造成的裂瓶方式和严重程度各有不同，物质本身性质、工艺设计不合理导致产品裂瓶，通过冻干显微镜分析、DSC差示扫描热量法监测、冻干机实验摸索方式，摸索出每个产品最合理的冻干曲线是非常有必要的，可以避免和减少由于物质本身性质和工艺问题导致产品裂瓶等质量问题，更需要避免该问题使患者出现安全用药风险。通过摸索产品具体冷冻干燥参数还可以优化冻干工艺，减少不必要的冻干时间，节约大量生产能耗等成本。我们有几个产品裂瓶情况，原因各不相同，通过上述方式针对各产品找出具体冻干参数和性质，一些产品冻干过程裂瓶以及萎缩、变色等问题均得到很好的解决，如注射用萘普生钠、注射用甲磺酸左氧氟沙星、注射用长春西汀等，亦有溶液浓度高、装量大，使用低硼硅管制玻璃瓶产品，如注射用甲磺酸左氧氟沙星、注射用萘普生钠，产品冻干过程当中存在裂瓶、玻璃瓶掉底情况，通过上述方法研究最终找到其裂瓶原因，反复摸索出产品最适合的预冻、升华温度和时间，使产品的晶体充分得到结晶，并减少不必要的多梯度升华时间。经过多次反复试验，目前产品出箱后极少发现裂瓶现象。

参考文献

〔1〕刘超 . 冻干工艺可控结晶技术应用与探讨〔J〕. 化工与医药工程，2019，( 06) : 28-31.

〔2〕赵绍磊，王耀国，张腾，等 . 制药结晶中的先进过程控制〔J〕. 化工学报，2020，71( 02) : 459-474.

〔3〕刘代春，于颖，卢存义 . 冻干显微镜研究进展〔J〕. 机电信息，2017，( 32) : 1-15.

〔4〕杨智，李代禧，张燕，等 . 冷冻干燥过程中重要参数塌陷温度的研究〔J〕. 应用化工，2014，43( 05) : 962-965.

〔5〕刘婕，杨丽，方亮 . 差示扫描量热技术在药剂学中的应用进展〔J〕. 中国药剂学杂志( 网络版)，2017，000( 05) : 119-128.

撰稿人 | 曾海军

责任编辑 | 邵丽竹

审核人 | 何发

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