凍干過程中，凍結(jié)階段冰核形成是一個隨機(jī)過程，會導(dǎo)致產(chǎn)品凍結(jié)不均勻。樣品通常在很寬的溫度范圍內(nèi)成核，產(chǎn)生不同大小的冰晶，和不同的冰晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致干燥速度不同，最終導(dǎo)致外觀不同。高質(zhì)量的凍干產(chǎn)品取決于層板溫度、腔室壓力和時間等明確可控的關(guān)鍵工藝參數(shù)(CPP)。隨著工藝轉(zhuǎn)移到大規(guī)模生產(chǎn)，這些參數(shù)可能需要優(yōu)化，特別是產(chǎn)品容器發(fā)生變化時。
批量凍干通常使用金屬托盤，其傳熱與普通西林瓶不同，具有較高的污染風(fēng)險(xiǎn)，多次重復(fù)使用以及滅菌在金屬內(nèi)的應(yīng)力會導(dǎo)致托盤翹曲，傳熱效果發(fā)生改變。此外，散裝托盤邊緣樣品可能與中心樣品凍結(jié)的時間和溫度不同，導(dǎo)致散裝盤內(nèi)出現(xiàn)不同尺寸的冰晶結(jié)構(gòu)。
CONTROLYO®按需成核技術(shù)(NODT)，是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，在凍干機(jī)內(nèi)冷凍期間，使用惰性氣體對腔室進(jìn)行加壓和減壓，以促進(jìn)均勻成核。裝載完成之后加壓，待產(chǎn)品在設(shè)定的層板溫度下穩(wěn)定后減壓，以產(chǎn)生瞬時的、均勻的冰核。在減壓之后，通常在-5°C的溫度下長時間保持，使冰晶緩慢生長，因此允許較大的冰晶尺寸產(chǎn)生。
ControLyo® VS 常規(guī)冷凍方法
研究散裝托盤中不同材料的凍干過程，將ControLyo®與常規(guī)冷凍方法進(jìn)行比較。對晶體材料和和無定型配方進(jìn)行了研究。晶體材料由Mannitol、USP(濃度為40 mg/mL)組成，無定型態(tài)由蔗糖、NF(濃度為40 mg/mL)組成。
具體實(shí)驗(yàn)
在100級環(huán)境中用0.22微米過濾器過濾溶液。將溶液分配到四個不銹鋼托盤中，每個托盤的體積為2L。在4層層板（30×60cm）中試凍干機(jī)（SP Hull Model 8FS15C）中進(jìn)行冷凍干燥。在不銹鋼散裝盤內(nèi)不同位置以及托盤外部均放置熱電偶測量產(chǎn)品溫度。采用Controlyo®工藝和常規(guī)冷凍工藝分別進(jìn)行。這兩個工藝，裝載關(guān)閉腔門后，均在5°C擱板溫度和大氣條件下平衡。
采用Controlyo®工藝，在5°C下使產(chǎn)品達(dá)到平衡后，進(jìn)行惰性氣體吹掃。將系統(tǒng)加壓至27.2psia并減壓至17.2psia，同樣進(jìn)行二次吹掃。在第二次吹掃后，將腔室加壓至33.2psia，并將擱板冷卻至-3℃平衡4小時。由于溶液中測得的產(chǎn)品溫度高于-3℃，因此將目標(biāo)擱板溫度調(diào)節(jié)至-5℃，以使產(chǎn)品溫度在-3℃或更低的溫度下達(dá)到平衡。保持1小時后，從33.2psia瞬間減壓至16.2psia，促進(jìn)成核，擱板溫度在-5℃保持7小時促使冰晶生長。
01 初次研究
在最初的研究中，使用保守的一次干燥參數(shù)，以便直接比較結(jié)晶溶質(zhì)Mannitol與無定型態(tài)溶質(zhì)蔗糖的干燥。兩種不同的冷凍技術(shù)在完成Mannitol一次干燥的時間上幾乎沒有差異。然而，不同的冷凍技術(shù)對蔗糖制劑的干燥結(jié)果有顯著影響。
02 第二項(xiàng)研究
在第二項(xiàng)研究中，采用不同的一次干燥參數(shù)對Mannitol和蔗糖制劑進(jìn)行試驗(yàn)。此一次干燥條件比第一項(xiàng)研究的條件明顯更激進(jìn)，對不同組分的樣品進(jìn)行相同關(guān)鍵工藝參數(shù)CPP的研究，研究組分的影響。
圖1：常規(guī)冷凍成核（不同溫度下的隨機(jī)成核）
圖2：Controlyo®成核（同時發(fā)生成核）
熱電偶跡線描述了常規(guī)凍結(jié)中成核的隨機(jī)性質(zhì)和ControLyo®過程中的瞬時成核(如圖1和圖2所示)。
成核事件是一個放熱過程，釋放的熱量導(dǎo)致熱電偶傳感器讀數(shù)瞬時增加，最終接近層板溫度。
在常規(guī)冷凍過程中，成核隨機(jī)發(fā)生，熱電偶顯示成核發(fā)生在不同的溫度和時間下?？刂瞥珊思夹g(shù)中，當(dāng)系統(tǒng)減壓時，熱電偶立即記錄到同時成核的過程。需要認(rèn)識到傳感器只測量托盤的某些區(qū)域，可能不能代表托盤全部。
圖3：蔗糖-常規(guī)冷凍（約72小時完成一次干燥）
圖4：蔗糖–Controlyo®（約59小時完成一次干燥）
在一次干燥階段，使用熱電偶傳感器記錄產(chǎn)品溫度，以幫助確定一次干燥的終點(diǎn)。當(dāng)使用控制成核技術(shù)時，蔗糖制劑一次干燥提前13小時結(jié)束（如圖3和圖4所示）。
Mannitol制劑，無論使用何種冷凍技術(shù)和CPP，一次干燥時間僅有輕微的變化。在這些研究中，皮拉尼/電容壓力計(jì)的數(shù)據(jù)判斷初級干燥結(jié)束。
ControLyo® 技術(shù)優(yōu)勢
對兩種配方的成核均勻性、冷凍干燥行為和成品屬性進(jìn)行了觀察和比較。
01 縮短一次干燥時間
對蔗糖配方進(jìn)行不同干燥條件的研究，采用Controlyo®工藝，由于升華速率增加，縮短了一次干燥時間。在Controlyo技術(shù)允許形成較大的冰晶，可能是由于過冷減少，成核溫度較高，允許冰晶緩慢生長。過冷被定義為平衡凝固點(diǎn)與溶液中冰晶初次形成時的溫度之間的差值。當(dāng)冰升華時，較大的晶體產(chǎn)生較大的孔，導(dǎo)致更大的路徑，因此水蒸氣穿過升華前沿上方的干燥層的阻力較小。這導(dǎo)致蔗糖干燥速率的顯著差異。Controlyo®技術(shù)將升華干燥的時間從67小時縮短到50小時。
盡管發(fā)現(xiàn)蔗糖基配方在一次干燥時間上存在顯著差異，但Mannitol基配方的表現(xiàn)并不相同。在使用保守CPP進(jìn)行的初步研究中，傳統(tǒng)冷凍和ControLyo®冷凍的升華速率幾乎沒有差異。在使用激進(jìn)性CPP的后續(xù)研究中，完成一次干燥的時間從20小時減少到16小時。
02 蛋糕外觀
通過蔗糖和Mannitol冷凍干燥生產(chǎn)的凍干餅的物理外觀在常規(guī)和控制成核策略之間有所不同。ControLyo®產(chǎn)生了一致的蛋糕結(jié)構(gòu)和外觀。兩種處理方法在Mannitol的外觀上差異不大。然而，蔗糖蛋糕的外觀有顯著差異:未經(jīng)控制的冷凍蛋糕上的裂縫更少，從托盤的一側(cè)延伸到另一側(cè)(圖5)。當(dāng)使用ControLyo®時，蛋糕上的裂縫更寬，更均勻(如圖6所示)。
圖5：蔗糖非受控冷凍
圖6：Sucrose Controlyo®
03 水分含量
用庫侖卡爾費(fèi)休滴定法測定殘余水分。結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，通過ControLyo®處理的Mannitol的水分含量分別從0.5%到0.1% w/w。有趣的是，蔗糖的結(jié)果正好相反。不受控冷凍方案的蔗糖平均結(jié)果為2.41% w/w, ControLyo®材料的平均結(jié)果為2.89% w/w。較高的蔗糖殘留水分含量可能是由于表面面積減少，因此在二次干燥過程中解吸率降低。不太激進(jìn)的二次干燥條件也會影響最終的殘留水分含量。
最終結(jié)論
很明顯，ControLyo®影響散裝材料的干燥行為和成品屬性。這些影響包括縮短一次干燥時間，改變蛋糕外觀，以及創(chuàng)造更一致和均勻產(chǎn)品的可能性。傳統(tǒng)冷凍和ControLyo®之間的差異程度也受到代表不同類型產(chǎn)品（結(jié)晶和無定型）的配方特性的影響。
此外，配方特定成分的CPP對使用ControLyo®進(jìn)行控制成核的成功至關(guān)重要。需對每種特定配方進(jìn)行對比研究，以量化ControLyo®技術(shù)應(yīng)用的相對效益。
Controlyo®控制成核技術(shù)
SP Scientific提供的Lyostar凍干機(jī)僅需運(yùn)行一個遁環(huán)即可自動摸索和開發(fā)凍干工藝。結(jié)合凍干PAT技術(shù)使漫長復(fù)雜的工藝摸索變得簡單快捷有效。
PAT技術(shù)——Smart 全自動工藝開發(fā)技術(shù)，Controlyo®控制成核技術(shù)，TDLAS實(shí)時水蒸汽測量技術(shù)。
Controlyo®控制成核技術(shù)
在相同的溫度下，以瞬間減壓的方式在同一時間讓所有小瓶瞬間成核，在較高的溫度下成核，產(chǎn)生更大、更均勻的晶體尺寸，使干燥更加一致。
● 提高批次均勻性；
● 無引入污染或外來物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)；
● 增加凍干產(chǎn)品的蒸汽通道尺寸，進(jìn)而減少干燥層的阻力；
● 加快主干燥過程；
● 減少產(chǎn)品復(fù)水時間；
● 改善凍干產(chǎn)品的外觀。
LYO INNOVATION
萊奧德創(chuàng)
凍干科技，賦能創(chuàng)新
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關(guān)于萊奧德創(chuàng)：
上海萊奧德創(chuàng)生物科技有限公司由德祥科技有限公司創(chuàng)辦，專注于提供先進(jìn)的凍干設(shè)備應(yīng)用和制劑開發(fā)相關(guān)服務(wù)。
德祥科技有限公司服務(wù)凍干行業(yè)十余年，在涉及冷凍干燥領(lǐng)域的工藝開發(fā)/工藝優(yōu)化/商業(yè)化等各方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，迄今為止已為500+客戶提供凍干設(shè)備及相關(guān)服務(wù)?？蛻舢a(chǎn)品類型涵蓋：蛋白、抗體、ADC、疫苗、核酸、多肽、脂質(zhì)體、IVD、食品等領(lǐng)域。依托與合作伙伴美國SP Scientific和英國Biopharma Group的緊密合作，掌握先進(jìn)的凍干理念與技術(shù)，使用優(yōu)質(zhì)的凍干設(shè)備和軟件致力于促進(jìn)中國生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級，助力中國大健康行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
Our Mission :
萊奧德創(chuàng)凍干工場專注于提供先進(jìn)的凍干設(shè)備應(yīng)用和制劑開發(fā)相關(guān)服務(wù)，致力于促進(jìn)中國生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級，助力中國大健康行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
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做凍干工藝的創(chuàng)新者，為生物醫(yī)藥開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)制劑產(chǎn)品解決方案。
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