真空冷冻干燥技术在制药及化妆品行业中的应用.doc

真空冷冻干燥技术在制药及化妆品行业中的应用真空冷冻干燥（Vacuum Freeze-drying）是将含水物料冻结成固态，而后在适宜的温度和真空度下，使冰升华成水蒸气，以除去其中水分而干燥物质的技术，又称升华干燥、冻结干燥，简称冻干（lyophilization）。冻干技术始于19世纪，1935年问世了第一台商用冻干机。随着现代高新技术的涌现，冻干技术的研究和生产发展迅速，广泛用于新材料、食品、医药等领域。1冻干的基本原理和过程1图1为水的相图，曲线OA、OB、OC分别为液固平衡线、气液平衡线及气固平衡线，其交汇于3相点O。当温度低于3相点O时，如果系统压力降至0.610 kPa以下，固态冰可不经过熔化而直接气化，这就是升华过程，也是真空冷冻干燥最基本的原理。冻干过程可分成预冻、升华干燥和解析干燥3个阶段。预冻过程固化了物料中的自由水，是为了保证物质的主要性能不变，并且使干燥后的产品形态与干燥前相同，防止物料在抽真空干燥时起泡、收缩或溶质移动。升华干燥又称为第1阶段干燥，是将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其中的冰晶就会升华成水蒸气逸出，从而使物料脱水干燥。此阶段能除去全部水分的90%左右。解析干燥又称为第2阶段干燥，是将物料的毛细管壁和极性基团上吸附的小部分水分蒸发，这部分未被冻结的水属于结合水，能量很高，因而此阶段要尽量提高干燥温度且保持冻干室的高真空。经过第2阶段干燥，产品中含水量在0.5%4%。2 冻干机系统的构成典型冻干机系统的流程如图2所示2。冻干机主要由冻干箱、制冷系统、循环系统、真空系统、液压系统、CIP/SIP系统和控制系统组成。2.1冻干箱冻干箱是冻干机的核心部件，是一个能抽成真空的长方体或圆筒状容器。物料在冻干箱中完成冷冻、真空干燥及全压塞等操作。因此，要求冻干箱具有一定的强度及很高的密闭性。冻干箱采用优质不锈钢材料制成，箱内光滑平整，有利于形成无菌环境，且具有足够的强度，能承受外部1个大气压的压力。如果是具备蒸气灭菌功能的冻干箱，还需承受一定程度的内压。箱门与不锈钢门框均采用特殊的硅橡胶条密封，以保证箱体的密闭性。箱门中央一般设有观察窗，便于观察产品状态。2.1.1隔板冻干箱内还设有隔板，通过支架安装在腔室内，用于放置被冻干物料及传递热量和冷量。现隔板多用AISI316L不锈钢材料制造，为特殊空心夹板，强度高、密封性好，表面无焊点，坚固平整，传热效率高。在长期热胀冷缩的工作条件下，板层不变形，不渗漏，符合GMP。为保证隔板温度分布均匀，隔板一般采用间冷间热的方式降温和加热。间冷是将制冷系统的蒸发器置于冻干箱外，制冷剂与冷媒（载冷剂）在蒸发器中热交换后，再用循环泵将冷媒通入搁板中；间热是指热媒在冻干箱外加热，再用循环泵打入搁板循环的加热方式。为确保箱内温度处处相等，干燥箱的最上层还要设置1块导热板作为热量辐射的补偿，如图3所示3。2.1.2压塞装置医药用冻干机常需要在冻干机内压盖加塞。压塞装置的压板由设在冻干箱顶部或底部的液压缸驱动。随着压板的上升或下降，隔板逐层上下移动将胶塞压进瓶口，如图4所示。液压装置主要由电动机、油泵、单向阀、溢流阀、节流阀、电磁阀、油箱、油缸及管道组成。液压活塞杆控制隔板升降，应能进行蒸汽或其他方式灭菌。活塞杆经常进出油缸，虽有两道密封圈，仍不能完全杜绝活塞杆表面的油膜污染冻干箱内的药品，所以一般在活塞杆上套1根不锈钢波纹管，将杆与干燥箱内腔完全隔离，彻底消除液压油的污染问题，如图5所示5。2.2在位清洗系统（CIP）冻干机的在位清洗（CIP）和在位灭菌（SIP）6是保证生物制品和药品质量的重要工艺步骤。在位清洗系统是指在不需要拆分部件，工作状态也无需做重大调整的前提下，利用受控清洗液的循环流动，在预定的时间内，将一定温度的清洗液通过密闭的管道对设备表面进行喷淋而达到清洗的目的。CIP系统是由若干喷嘴、电磁控制阀门、加压泵、清洗剂容器等组成，如图6所示。清洗剂通常是纯化水或注射用水，洗涤剂则取决于产品的组成。清洗剂由广角喷嘴和强力旋转喷头喷出，压力应大于0.6 MPa，清洗同时，板层还需做上下运动，以保证冻干箱及冷凝器内的每个死角都彻底地被清洗干净。清洗水不可重复使用，以免发生全面污染。清洗完成后，关闭阀门，启动真空泵，将冻干机内的残存水排干净。整个清洗过程要符合GMP要求，清洗操作程序集成在控制系统内，有工作人员根据实际情况进行设定、操作。2.3在位灭菌系统（SIP）冻干箱的灭菌方法主要有蒸汽灭菌、环氧乙烷灭菌及汽化双氧水灭菌。化学试剂灭菌的方法对冻干机产生腐蚀作用，而且还容易有化学试剂残留，影响产品品质。蒸汽灭菌法利用饱和蒸汽使细胞白蛋白变性来杀死微生物群，是一种高度有效和可靠的方法，无污染，无残留。因此，药用冻干机均采用高温蒸汽灭菌。在位灭菌是指系统或设备在原安装位置不作任何移动时的蒸汽灭菌。图7为冻干机饱和蒸汽灭菌SIP系统的简单流程，冻干箱内壁、侧板、压塞装置、冷凝器内部、检测原件及相关管道、阀门等必须灭菌，所以要求其耐高温高压。冻干机中，灭菌过程都可以预先编制程序，在冻干机的控制系统和验证下自动进行。蒸汽灭菌大致有如下步骤：(1)关闭冻干箱及冷凝器与外界联系的阀门，关闭真空泵与水汽凝结器之间的阀门；(2)锁紧冻干箱门，启动真空泵抽空体系；(3)注入蒸汽还原体系内压力，再次抽空，反复3次，除尽体系内的不凝性气体；(4)注入蒸汽直至达到灭菌压力和温度；(5)按设定的灭菌程序进行保温、保压；(6)灭菌过程完成后，卸掉高压，进入冷却干燥阶段，用真空泵抽空体系并用冷冻机降温。3 冻干技术在制药工业中的应用3.1中药材的加工与保鲜冻干技术可用于中药材的新型加工及活性保鲜。鹿茸具有补肾壮阳、益精髓、强筋骨、补气血、通督脉等功效，是珍贵的药材及保健佳品。传统的鹿茸加工方法易造成鹿茸内有效成分流失或破坏，还常常出现破皮、空头、酸败、焦化、腐败变质等缺陷。马齐等7研究了鹿茸的低温冷冻干燥加工工艺，并与沸水煮炸、微波能和远红外烤箱烘烤等传统的鹿茸加工方法相比较。结果表明，该工艺可最大限度地保持鹿茸的活性营养成分，鹿茸的形、色、味基本保持不变。既保证了鹿茸质量，又大大缩短加工周期；既能规范化操作，又便于计算机控制技术指标。人参也是我国传统的滋补品和中药材，传统的加工方法以生晒参和红参为主，食用不便，有效成分流失较多。钱骅等8以冻干方式处理人参片，并与烘干人参片相比。发现冻干参片中皂苷类成分与鲜人参相比差异很小，而烘干人参片中不仅人参总皂苷和热敏性成分Rb1损失较多，连单体皂苷的组成也发生了变化。赵伯涛等9研究了人参的超微粉碎冻干技术，得到人参的冻干超微粉体。新型人参粉体的孔隙率增加，细胞破壁，活性成分溶出速率和含量提高，因而在保持人参成分稳定和药性平和的基础上，提高了人参的生物利用度，减少了用药量。3.2 现代中药制剂3.2.1 中药脂质体及纳米粒冻干技术可用于制备多种中药脂质体及纳米粒，如草苔虫内酯、紫杉醇、茶多酚、鬼臼毒素、蕨麻素、荆芥内酯、-细辛脑、丹参酮、莪术油、羟基喜树碱、水飞蓟素等。液态脂质体是一种混悬乳剂，性质不稳定，易发生凝聚、融合，并导致其包封药物泄漏。脂质体在液体状态下只能贮存几周，使其应用受到了很大限制。冷冻干燥法是目前制备储存脂质体的最佳方法。冻干技术使脂质体等作为药物载体的优势进一步扩大，既可单独制备、储存，又可延长药物在体内的作用时间，降低其毒副作用，提高生物利用度。草苔虫内酯是一类极具开发前景的抗肿瘤药物，但其脂溶性大、用药量小、不良反应大，阻碍了它的临床应用。俞园媛10研究了草苔虫内酯冻干脂质体的制备工艺，并对其进行了稳定性和生物学研究。结果表明草苔虫内酯冻干脂质体低温（6 ）避光保存满足制剂长期贮存的稳定性要求，毒性明显下降，而生物利用度则明显提高。另一种抗癌新药紫杉醇由于不溶于水，导致临床应用诸多不便。王浩等11采用优化的薄膜分散微孔滤膜挤出冷冻干燥工艺制备的紫杉醇冻干脂质体粒径均一，在130 nm左右其对药物的包封率在90%以上，储存半年后紫杉醇的含量及包封率均未降低。而且改进的工艺使得冻干脂质体在水化重建时极易再混悬，稳定性良好。杨立平12用冷冻干燥法制备-细辛脑前体脂质体，大大提高了脂质体的稳定性，而且还将-细辛脑用于鼻粘膜给药，找到一条新的-细辛脑非肠道给药途径，临用前仅需要简单振摇水化即可重建脂质体，给药更为方便。3.2.2 中药冻干粉针需要注射用的中药复方或单方制成冻干粉针后成型性、水溶性均优于传统注射液，而且冻干粉针的稳定性也大大提高。目前，对中药冻干粉针的研究主要有双黄连、苦芩、参附青、红花、雪莲、马蔺子素等。唐岚等13用冷冻干燥方法将参附青注射液制成冻干粉针，并与其注射液进行了比较。经冷冻干燥法制备的参附青冻干粉针成型性、水溶性好，较注射液稳定。红花黄色素、羟基红花黄色素A注射液是由中药红花提取物或红花提取分离的药效组分制成的灭菌水溶液，被广泛应用于临床。由于红花注射液稳定性较差，王岩等14研究了冷冻干燥工艺在红花注射剂中的应用。结果，冻干产品冻型饱满，复水性好，水分小于1%，各项指标均符合标准规定。优选得到的冷冻干燥工艺简单、可行，适合红花注射剂的大生产。马蔺子素具有很强的抗癌及抗癌增敏作用，但其水溶液易受pH催化降解，对热不稳定。张学农等15为提高其稳定性，制成了马蔺子素环糊精包合物冻干注射剂，并在此基础上，进一步制成冻干粉剂，扩大了马蔺子素的临床应用范围。3.2.3中药口服片剂冷冻干燥还可用于中药口服片剂的制备。藏药制剂二十味肉豆蔻片16含有多种易挥发成分，采用冻干技术，可避免易挥发成分的挥发、分解及蛋白质变性，其颜色基本不变，结构疏松，制成的片剂有效成分崩解、溶出较完全，易挥发成分损失较少。3.3 西药制剂3.3.1 西药脂质体西药制剂的冷冻干燥技术较为成熟，目前国内较大型的制药厂都有冷冻干燥设备，很多剂型（针剂、口服制剂、滴眼剂等）都采用了冷冻干燥工艺，提高了药品质量和贮存期限。同中药制剂类似，西药中有很多药物由于溶解度小、吸收差、毒副作用大等原因而制成脂质体，再将其冻干处理，提高了药物的长期稳定性，如苯磺酸氨氯地平、两性霉素B、克拉霉素、米非司酮、维甲酸、尼莫地平等。氨氯地平17是临床上治疗高血压的常用药，其口服制剂的肝脏首过效应较大，生物利用度受到食物的影响，胃肠道反应发生率较高。制成苯磺酸氨氯地平柔性纳米脂质体后，可避免首过效应，提高治疗效果。将脂质体冻干后，粒子分布更均匀，稳定性更高。尼莫地平临床剂型主要有片剂、胶囊剂和注射剂。由于存在严重的首过效应导致其生物利用度很低。采用冻干脂质体鼻粘膜给药则可显著提高其生物利用度并改善其在脑组织中的分布。李茗等18采用改良乙醇注入法制备了尼莫地平脂质体，考察了冷冻干燥工艺与处方因素对其冻干脂质体性质的影响。在优化冻干工艺条件下，以甘露醇和蔗糖为冻干保护剂，可得到外观良好、包封率高、易于重建的冻干脂质体，20 及4 贮存3个月，粒径和包封率无显著变化。3.3.2西药冻干粉针西药制成冻干粉针，可使药品不变质，适合于长期存放；容易实现无菌化操作；定量准确；复水性能好，如棓丙脂、阿莫西林钠、泮托拉唑钠、盐酸丁咯地尔、阿奇霉素、盐酸多西环素等。泮托拉唑钠是抗溃疡药，其化学稳定性比奥美拉唑好，但光、热、氧和水分等对其稳定性仍有一定影响，无法满足注射剂（水针）的要求。王晓蕙19等将泮托拉唑钠制备成2 ml冻干针剂定量准确，应用方便，且大大提高药物稳定性。在制剂中采用水溶性支架剂，可保证制剂在临床使用时快速、完全溶解。不仅达到了制剂学的要求，也满足了临床需要。阿莫西林钠是一种广谱抗菌消炎药，可用喷干法或溶媒法生产。喷干法生产阿莫西林钠时，由于温度较高，造成色级，有关物质偏高，稳定性也有所下降。此法现已被溶媒法取替。用溶媒法生产的产品质量与稳定性均好于喷干法，但溶媒法的操作步骤多，溶媒用量大，成本较高。于艳荣等20采用冻干的方法生产阿莫西林钠，小试产品的各项技术指标已达到药典标准。3.3.3其他剂型口腔速崩片具有使用方便、分剂量准确、崩解迅速、对消化道的刺激作用小等优点。冻干法制备的口崩片除具有上述优点外，还可避免药品因高温而分解变质，并且由于产品含水量低，微生物不易生长繁殖，易于保存。吲达帕胺在临床上常用来治疗轻、中度高血压。由于抗高血压药物需长期服用，这给部分患者的用药带来不便。为此，王金等21研制了吲达帕胺冻干口腔崩解片，将自制的吲达帕胺冻干口崩片与市售吲达帕胺片比较，发现自制吲达帕胺冻干口腔崩解片生物利用度要高于市售普通片剂。吲达帕胺冻干口崩片质量可控，稳定性良好，采用高效液相色谱法测定本品主药含量，重复性好，测定结果在规定限度内。头孢唑啉钠是一种安全性较高的抗生素，眼科上可用于前房注射，但由于水溶液稳定性不高，不能制成普通意义上的滴眼剂。陈东宇等22在主药中加入骨架剂将其冻干成块，可避免其接触胶塞受到污染，临用前再与配套的氯化钠滴眼剂混合，克服了主药稳定性不高的缺点，且方便了临床应用。经过影响因素和加速试验，制剂有效期预计为2年，配好后冷藏条件下稳定。许多稳定性不佳的药物都可通过这种方式制成滴眼剂。3.4 生物药品针对大多数生物药品的化学、物理性质不稳定，冻干已被实践证明为一种非常有效的手段。随着生化药物与生物制剂的迅速发展，冻干技术将越来越显示其重要性与优越性。冷冻干燥在低温下进行，且处于高真空状态，因此对于许多热敏性的物质特别适用，如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活性；干燥后的物质疏松多孔，溶解迅速完全；冻干产品脱水彻底，可采取真空或充氮气包装和避光保存，保质期长。以聚合血红蛋白(Poly-placental hemoglobin， P-polyHb )溶液为有效成分的载氧药物，在体内能携氧、放氧、扩容，有抗休克作用。但这种P-polyHb溶液不稳定，在保存过程中有生成高分子聚合物的趋势影响其长期保存的稳定性。通过冷冻干燥技术可提高制品的稳定性,便于长期保存23。采用蔗糖作保护剂可防止因冷冻干燥而引起的血红蛋白结构改变，进而失去载氧能力。当蔗糖与蛋白质的比率为1.0时，冻干制品在室温下保存3个月，高铁血红蛋白（MetHb）含量、UV特征吸收峰、SDS-PAGE、HPLC等指标均无显著改变。基因重组人干扰素-2a（rIFN 2a）是具有高活性的基因工程蛋白质药物，具有抗病毒和抗肿瘤等作用。临床应用存在体内半衰期短、血药浓度低等问题，使rIFN 2a不能发挥应有的疗效。陆彬等2435 下留样观察6个月，其生物活性指标基本不变。其在肝脏中的分布百分率由原药的13.1%提高到50.6%，在肝脏中的平均滞留时间由原药的1.41 h延长到8.35 h，具有明显肝靶向性和缓释特征。采用乳化聚合法制备纳米球，并制得冻干品。制得的纳米球冻干品在单磷酸阿糖腺苷25是一种腺嘌呤核苷类抗病毒药，在我国主要用于慢性病毒性肝炎及疱疹病毒感染所致的口炎、皮炎、脑炎及巨细胞病毒感染。目前已成为继干扰素后销量最大的治疗乙肝病毒用药，比更昔洛韦更受欢迎的治疗疱疹病毒感染及性病用药。用冷冻干燥法制成冻干粉针剂后，产品剂量准确，复溶性及制剂稳定性好，而且有便于贮存的优点。4结语冷冻干燥技术是一门古老而现代的技术，优点突出、应用广泛。除制药工业、冻干技术还应用于食品、医学、新型材料等领域。随着冻干技术的不断发展、冻干理论的日益完善，相信冻干技术应用将更广泛，在更多领域大放异彩。参考文献1孙企达. 冷冻干燥超细粉体技术及应用M. 化学工业出版社, 2006.10112 钱应璞. 冷冻干燥制药工程与技术M. 化学工业出版社, 2008.773秦红平. 真空冷冻干燥技术的设备与工艺D. 合肥工业大学,2006.4 徐成海等. 真空干燥M. 化学工业出版社, 2004. 2262275 Gerog Wilhelm Oetjen, Peter Haseley.徐成海等. 真空干燥M. 化学工业出版社, 2005.2282296 许敦复, 郑效东. 冷冻干燥技术与冻干机M. 化学工业出版社,2005.29317马齐等. 鹿茸低温冷冻干燥加工技术J. 经济动物学报, 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