浅谈注射用伏立康唑冻干工艺

前言：

有朋友问我说有一个冻干项目，药饼的上下层的粗细程度不一样，越往上看上去越粗糙，而且冻干周期比较长，有没有比较好的办法呢？我说“设置过冷，让药液快速冻结可能能改善产品的外观”，但效果好像与想象中的不大一样，让我也充满疑惑，直到我看到这个产品才知道是伏立康唑。对该项目也早有耳闻，据说不大好做，谨慎起见，我亲自动手实践，也获得了一定的心得与大家分享，总结下来，注射用伏立康唑冻干工艺的关键在于预冻的设计。

正文：

首先定义预冻阶段的慢冻和快冻，有人以搁板降温速率定义快慢，认为冻干机搁板快速降温是快冻，隔板缓慢降温是慢冻，有些人以药液由液体转化为固态的表观转变定义快慢，无论是采用极低的温度使药液瞬间冻结还是经历漫长过冷的药液中晶核在ΔH＜0时生长出冰晶而瞬间冻结，都是快冻。我更倾向于后者，以药液由液体转化为固态的表观转变定义快慢。

作者拿到辉瑞的注射用伏立康唑后心里也是为之一震：小瓶为内径约25 mm（标准20R西林瓶内径）的30 mL细高西林瓶，散装药液灌装量为20 mL，药液厚度达到了40 mm，药饼的紧实程度和细腻程度都具有极低温度条件下药液迅速冻结的特征，并非常规的冻干机搁板预冻能达到的水平。

作者又查询了一些国外仿制药使用的小瓶，无一例外的200 mg规格注射用伏立康唑都选择了50R的大瓶子，即使是增加瓶底换热面积、降低药液厚度，冻干后的产品也赶不上辉瑞产品的外观：

从上图看，甚至有的仿制药使用了传热效果更好的钠钙玻璃瓶，常规条件下，我们更多的认为--硼硅玻璃瓶比钠钙玻璃瓶好；而实际上在欧洲高端的钠钙玻璃瓶质量更优秀，不但耐腐蚀性能较硼硅玻璃好，而且在导热方面也比硼硅玻璃好。常说的钠钙玻璃瓶不宜用于冻干是因为常见的低端钠钙玻璃瓶的制作工艺水平较差导致瓶壁、瓶底厚度差异大，导热不均匀产生热胀冷缩而使瓶底爆裂；对于冻干要求高的产品使用的钠钙玻璃瓶则规避了上述情况，均匀的瓶底、瓶壁提供了更好的导热效能，且能承受比硼硅玻璃瓶更大的张力。即使是这样，我们也能看出小瓶内的产品外观依然惨不忍睹。作者从注射用伏立康唑处方入手：

通过计算得到物质量比磺丁基β环糊精钠：伏立康唑＝4：1，需要4个磺丁基β环糊精钠分子包埋一个伏立康唑分子，以磺丁基β环糊精钠形成的腔体和伏立康唑分子的体积，判断磺丁基β环糊精钠包埋的仅是伏立康唑的疏水基团，所以在预冻时还是需要将冰晶生长对包封率的影响考虑进来，优先选择速冻的方法，避免可能存在的形成的不规则冰晶挤压包埋物造成的包封率下降情况。

20 ml药液中总固形物达到3400 mg，总固形物占比已经到达17 %，不但超过了“1%-10%”这个最适宜的冻干范围，而且超过了15 %跨入不易冻干的范围。作者也在侧面了解了一下这个品种的相关信息：据说这个品种最初并非会选择这种细高30 ml西林瓶，但是由于采用的预冻工艺的特殊性和更大的西林瓶的冻干周期并未明显缩短情况下，在成本控制角度上最终选择了细高30 ml西林瓶。这也呼应了作者最初的猜想：辉瑞采用了其特有的“via an lce Fog”受控成核（Control Nucleation）预冻方式。通过冰雾的方式，首先将装载在冻干机搁板上的小瓶中散装药液降温，过冷到希望的成核温度，再抽真空，使前箱压力降低到不到一个大气压的水平，然后把低温的氮气吹入前箱，使前箱中水蒸气冻结成细小的冰颗粒，冰颗粒落入小瓶中，使过冷的散装药液发生速度均一的冰晶生长，瞬间完成药液的冻结。

既然常规的冻干机搁板预冻做不到受控成核的水平，可是在有且只有冻干机搁板预冻条件下，只能尽量调整搁板温度和持续时间，尽量做到药液冰晶结构相对一致。针对药液厚度大、传热面积小的情况，作者首先进行药液热传导情况考察：测定搁板一定降温速率条件下的药液上下层温差。预冻以1 ℃/min的降温速率降温，药液底部温度较上部温度低约5 ℃，该过程中因上下层药液过冷程度不同导致晶核数量和冰晶生长差异显著，并伴随有溶剂化物生成。使预冻过程中冰晶的结构尽量相似，两种解决途径：

第一， 药液过冷程度相似，用更长的过冷时间使上下层药液的温差缩小；

第二， 当底部药液冻结后，使冻结层以上一定高度的未冻结的药液的冻结温度与下层已冻结的药液冻结时的温度相似，分阶段使药液完全冻结，再通过冰晶重排使先后冻结的冰晶排列顺序更有秩序。

根据其形态结构基础考虑采用梯度过冷方法，药液过冷后底部冻结向上传到冷量，使上层药液继续过冷并冻结，采用退火工艺使冰晶重排，改善冰晶排列顺序。一次预冻中作者使用了两个过冷点：-5 ℃和-20 ℃，以减小小瓶内不同高度的药液温差，避免出现溶剂化现象。在保持-5 ℃一段时间后以一定的降温速率降温至-20 ℃继续保持一定时间，再降温至-40 ℃，退火温度采用-5 ℃进行两次，最终预冻控制温度-40 ℃。采用这种方法通过76小时的运行，最终产品的外观如下：

大部分产品的结果非常好，但少数产品存在差异，且在预冻降温过程药液的冻结形态就已经体现出较大差异，外观较差的产品，药液在-5℃就开始结晶，并且出现严重的溶剂化现象，有的在-15℃才开始结晶，这种情况在于实验室环境中尘埃粒子不受控，药液中可能掺杂了更多的颗粒，提供了稳定的晶核，在底层药液温度降低的过程中出现了有限的冰晶生长情况，但实际上过冷的药液中上层部分的内能尚未达到冰晶均匀生长的要求，因此下层药液在较高的温度下已经冻结且冰晶以片状为主，在浮力的作用下漂浮到药液表层。而在-15 ℃时开始出现结晶的产品除上述因素外，亦可能由于搁板不同位置的上小瓶内受到的冷量有差异，且药液上下层温差比较大，温度较低的底层药液产生的冰核在ΔH ＜ 0的情况下先开始发生冰晶的生长，但中上层药液的温度较高，ΔH尚不满足小于零的条件，冰晶生长受限，且与已生长的冰晶接触的药液的内能持续与冰晶热交换，使冰晶生长趋于片状结构，导致冰晶在浮力作用下漂浮到液面。

结晶的前提是稳定的冰核，当达到一定的过冷温度保持一段时间后在西林瓶中有稳定冰核时，药液会瞬间结晶，此时可以看见冰晶从药液底部快速冻结，产生均匀的冰晶；作者将药液过滤后再次试验，目标是不使用退火操作，仅通过调整过冷温度和降温速率使药液获得充裕的过冷度后快速降温的方式减小冰晶差异，事实上，这次预冻可见过冷的药液冻结过程中冰晶均由小瓶底部向上部生长，生长速度均匀，从瓶底出现冰晶到药液完全呈浓烈白色状态固体，每一个样品的冻结过程持续均不大于4 S时间（最快的2 S），真正达到速冻的标准，且没有冰晶脱落并漂浮到液面的情况，持续了55个小时的冻干后样品如下：

结果显示未经退火的冻干样品外观更加细腻，并且一次干燥升华时间缩短，按理论依据退火后冰晶进行重排导致一次干燥更快，但对于这个品种，退火确实形成较大的升华孔道，但药液厚度过高、药液固含量过高，冰晶重排后叠加导致升华孔道不够顺畅，反而降低了水分升华的速率。当然，认为未经退火的产品表面不够平整，可以增加一次退火操作。

    一次干燥阶段出现了比较有趣的现象，产品温度先升高又降低，冻干曲线如下所示：

一次干燥初期样品温度下降，说明大量冰晶升华带走大量热量，导致分子的内能降低，当水分逐渐减少，蒸发量逐渐降低时，隔板提供的能量蓄积在药饼分子中，从曲线上看样品温度逐渐上升，后与隔板温度接近一致，此时大量水分已被升华去除，根据该情况，一次干燥中后期可适当提高隔板温度，加快升华速率。