真空冷凍干燥技術(shù)在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的應用

1 真空冷凍干燥技術(shù)

真空冷凍干燥技術(shù)是通過預冷、升華干燥、解析干燥三種階段的動態(tài)耦合作用，共同實現(xiàn)生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定保存。由于該技術(shù)廣泛應用于生物醫(yī)藥領域中熱敏性藥品（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，因此凍干機成為了生物醫(yī)藥企業(yè)前處理和檢驗檢測的重點關(guān)注設備。

1.1 預凍階段

預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影響冰晶的形成和生長，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。同時，凍結(jié)溫度與共晶點密切相關(guān)，會直接影響冰晶的形態(tài)，當溫度低于共晶點時，冰晶生長會速率提升，且過大時會破壞細胞結(jié)構(gòu)。 因此，安全凍結(jié)溫度需控制在共晶點的-10℃左右。此外，降溫速率對冰晶粒徑的影響也會直接影響后續(xù)升華效率和復水性。

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，則可能導致升華效果不好，且含水量較高；若升華速率較快，則可能會破壞被凍干品的結(jié)構(gòu)，甚至導致噴瓶。

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，需嚴格控制溫度梯度。

2 生物醫(yī)藥凍干工藝的計量需求

2.1 GMP驗證關(guān)注點

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，凍干工藝驗證主要包括設備確認（DQ\IQ\OQ）、 工藝驗證（PV）和持續(xù)改進。

（1）設備確認：包含設備運行情況、安全性、關(guān)鍵參數(shù)指標的測試等。由于性能驗證有時包含在線蒸汽滅菌功能與生物挑戰(zhàn)性測試，需采用溫度測量裝置與濕熱滅菌生物指示物進行驗證，并對FO值及滅菌后生物指示物培養(yǎng)結(jié)果進行判斷，因此會導致該過程和常規(guī)的計量參數(shù)重合較大。

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

2.2 設備性能計量需求

近年來，計量機構(gòu)對藥用冷凍干燥機的計量重視程度已逐步提高，尤其是針對用于生物醫(yī)藥領域的中試凍干機和生產(chǎn)型大型凍干機與實驗室用凍干機的差異及其溫度、真空復合場的計量方法。

溫度（如偏差、均勻度、降溫速率）校準：通常采用多點測量法，在凍干腔內(nèi)布置多個溫度傳感器，監(jiān)測不同位置的溫度變化并計算分析校準參數(shù)是否符合要求。目前，已有校準規(guī)范關(guān)注了GMP驗證中對擱板溫度的要求，并提出采用表面貼合式標準器進行擱板溫度而非凍干腔體內(nèi)空氣溫度的測量。

真空度校準：傳統(tǒng)方法是采用破壞式法，在真空通路中串聯(lián)真空計進行校準，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腔體內(nèi)部進行真空數(shù)據(jù)采集，并對極限真空、真空泄漏率等參數(shù)進行校準。但一些規(guī)范中雖明確了溫度及真空測量的復合場條件要求，在特定的真空度設定下進行特定凍干溫度的校準，并考慮復合場環(huán)境對標準器引入不確定度的影響，體現(xiàn)了計量技術(shù)與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)實際計量需求的結(jié)合，但仍停留在滿足設備本身性能參數(shù)的計量上，未真正將計量檢測技術(shù)應用至工藝流程中，因此僅滿足生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)對設備關(guān)鍵性能參數(shù)確認的要求，而對支撐凍干工藝優(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)計量需求

（1）生物醫(yī)藥領域。除凍干機的性能參數(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，需對其制冷溫度、水蒸氣捕獲能力進行測試，但目前計量規(guī)范和校準實施中均未有對其參數(shù)的測量。

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

（3）溫度測量。除對設備的溫度控制性能計量外，還需對預凍階段的共晶點溫度、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行測量，并對解析干燥階段的水分含量進行監(jiān)測，從而支撐工藝風險點的提前發(fā)現(xiàn)及工藝改進。如水分含量檢測時，一般要求控制在2%以下（過高會影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和保質(zhì)期），且采用卡爾費休法、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行檢測。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)計量需求，如生物活性保留率測試、凍干制品物理特性（包括崩解時限、溶解性測試、凍干制品化學穩(wěn)定性）測試等均會影響產(chǎn)品的質(zhì)量和使用效果及工藝的優(yōu)化。