真空冷凍干燥技術(shù)在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

1 真空冷凍干燥技術(shù)

真空冷凍干燥技術(shù)是通過預(yù)冷、升華干燥、解析干燥三種階段的動(dòng)態(tài)耦合作用，共同實(shí)現(xiàn)生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定保存。由于該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域中熱敏性藥品（如蛋白酶、疫苗、多肽和脂質(zhì)體）的保存、基因治療產(chǎn)品與細(xì)胞治療產(chǎn)品凍干保存、診斷試劑與生物活性成分的穩(wěn)定性提升、中藥材處理及保存等，因此凍干機(jī)成為了生物醫(yī)藥企業(yè)前處理和檢驗(yàn)檢測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備。

1.1 預(yù)凍階段

預(yù)凍階段是通過將溶液放置于低溫條件下迅速凍結(jié)，從而形成玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài)冰晶。由于凍干過程中，物料不同部位的溫度差異會(huì)影響冰晶的形成和生長，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，凍結(jié)溫度與共晶點(diǎn)密切相關(guān)，會(huì)直接影響冰晶的形態(tài)，當(dāng)溫度低于共晶點(diǎn)時(shí)，冰晶生長會(huì)速率提升，且過大時(shí)會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 因此，安全凍結(jié)溫度需控制在共晶點(diǎn)的-10℃左右。此外，降溫速率對(duì)冰晶粒徑的影響也會(huì)直接影響后續(xù)升華效率和復(fù)水性。

1.2 升華干燥階段

升華干燥階段通常在（1-50）Pa真空條件下，通過擱板傳導(dǎo)加熱或輻射加熱提供升華潛熱，使冰晶直接升華為水蒸氣。但若真空度波動(dòng)較大，則難以平衡升華速率和熱量供給；若真空度不足或供熱不足，則可能導(dǎo)致升華效果不好，且含水量較高；若升華速率較快，則可能會(huì)破壞被凍干品的結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致噴瓶。

1.3 解析干燥階段

解析干燥階段主要通過升溫去除殘留的結(jié)合水。因此，為避免出現(xiàn)蛋白質(zhì)變性、抗體藥物活性損失等問題，需嚴(yán)格控制溫度梯度。

2 生物醫(yī)藥凍干工藝的計(jì)量需求

2.1 GMP驗(yàn)證關(guān)注點(diǎn)

在生物醫(yī)藥凍干工藝中，符合藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(GMP)是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2020版）》附錄¹（無菌藥品）要求，凍干工藝驗(yàn)證主要包括設(shè)備確認(rèn)（DQ\IQ\OQ）、 工藝驗(yàn)證（PV）和持續(xù)改進(jìn)。

（1）設(shè)備確認(rèn)：包含設(shè)備運(yùn)行情況、安全性、關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)的測(cè)試等。由于性能驗(yàn)證有時(shí)包含在線蒸汽滅菌功能與生物挑戰(zhàn)性測(cè)試，需采用溫度測(cè)量裝置與濕熱滅菌生物指示物進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)FO值及滅菌后生物指示物培養(yǎng)結(jié)果進(jìn)行判斷，因此會(huì)導(dǎo)致該過程和常規(guī)的計(jì)量參數(shù)重合較大。

（2）工藝驗(yàn)證：通過對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的研究和驗(yàn)證，確定最佳的工藝參數(shù)和操作流程，與傳統(tǒng)的設(shè)備計(jì)量相比，可延伸涵蓋至除設(shè)備自身參數(shù)外的工藝、人員及操作等多個(gè)環(huán)節(jié)。如典型凍干制品在預(yù)凍階段的降溫速率、升華階段的加熱功率和真空度控制、解析干燥階段的時(shí)間和溫度設(shè)定等過程中均需通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，才能確保生產(chǎn)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的凍干產(chǎn)品，但若驗(yàn)證過程中參量發(fā)生變化時(shí)，則均需重新進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 設(shè)備性能計(jì)量需求

近年來，計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)藥用冷凍干燥機(jī)的計(jì)量重視程度已逐步提高，尤其是針對(duì)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的中試凍干機(jī)和生產(chǎn)型大型凍干機(jī)與實(shí)驗(yàn)室用凍干機(jī)的差異及其溫度、真空復(fù)合場的計(jì)量方法。

溫度（如偏差、均勻度、降溫速率）校準(zhǔn)：通常采用多點(diǎn)測(cè)量法，在凍干腔內(nèi)布置多個(gè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)不同位置的溫度變化并計(jì)算分析校準(zhǔn)參數(shù)是否符合要求。目前，已有校準(zhǔn)規(guī)范關(guān)注了GMP驗(yàn)證中對(duì)擱板溫度的要求，并提出采用表面貼合式標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行擱板溫度而非凍干腔體內(nèi)空氣溫度的測(cè)量。

真空度校準(zhǔn)：傳統(tǒng)方法是采用破壞式法，在真空通路中串聯(lián)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，而近年來發(fā)布的規(guī)范已改為采用無線真空記錄器放置于凍干機(jī)腔體內(nèi)部進(jìn)行真空數(shù)據(jù)采集，并對(duì)極限真空、真空泄漏率等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。但一些規(guī)范中雖明確了溫度及真空測(cè)量的復(fù)合場條件要求，在特定的真空度設(shè)定下進(jìn)行特定凍干溫度的校準(zhǔn)，并考慮復(fù)合場環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器引入不確定度的影響，體現(xiàn)了計(jì)量技術(shù)與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)實(shí)際計(jì)量需求的結(jié)合，但仍停留在滿足設(shè)備本身性能參數(shù)的計(jì)量上，未真正將計(jì)量檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用至工藝流程中，因此僅滿足生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵性能參數(shù)確認(rèn)的要求，而對(duì)支撐凍干工藝優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量提升和降本增效等方面仍存在一定欠缺。

2.3 工藝過程產(chǎn)業(yè)計(jì)量需求

（1）生物醫(yī)藥領(lǐng)域。除凍干機(jī)的性能參數(shù)（最終的溫度和真空度）外，冷阱的可靠性也非常重要。它是用于捕獲升華過程中產(chǎn)生的水蒸氣，維持系統(tǒng)的真空度。 因此，在一些藥企中，需對(duì)其制冷溫度、水蒸氣捕獲能力進(jìn)行測(cè)試，但目前計(jì)量規(guī)范和校準(zhǔn)實(shí)施中均未有對(duì)其參數(shù)的測(cè)量。

（2）產(chǎn)業(yè)計(jì)量。生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)在真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用層面對(duì)計(jì)量的需求更多體現(xiàn)在計(jì)量技術(shù)能從原本的終點(diǎn)控制轉(zhuǎn)變?yōu)榕c工藝結(jié)合的全程追溯。

（3）溫度測(cè)量。除對(duì)設(shè)備的溫度控制性能計(jì)量外，還需對(duì)預(yù)凍階段的共晶點(diǎn)溫度、升華階段的不同真空度、不同加熱功率條件下的升華界面的液體溫度和水蒸氣壓進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)解析干燥階段的水分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而支撐工藝風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的提前發(fā)現(xiàn)及工藝改進(jìn)。如水分含量檢測(cè)時(shí)，一般要求控制在2%以下（過高會(huì)影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和保質(zhì)期），且采用卡爾費(fèi)休法、干燥失重法等均需在凍干工藝結(jié)束后以凍干品作為樣品，因此無法在工藝過程中，甚至是不同工藝條件下進(jìn)行檢測(cè)。此外，據(jù)調(diào)研顯示，在凍干制品的全流程質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中，也存在著產(chǎn)業(yè)計(jì)量需求，如生物活性保留率測(cè)試、凍干制品物理特性（包括崩解時(shí)限、溶解性測(cè)試、凍干制品化學(xué)穩(wěn)定性）測(cè)試等均會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和使用效果及工藝的優(yōu)化。