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技術(shù)前沿|凍干過程中微塌陷如何影響凍干產(chǎn)品的強(qiáng)度?


之前我們?cè)?/span>干貨分享 | 凍干樣品配方的關(guān)鍵溫度的測量中,就已經(jīng)聊到過關(guān)鍵溫度對(duì)于凍干工藝的重要性。


在冷凍干燥過程中,產(chǎn)品應(yīng)保持在其關(guān)鍵溫度以下,如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg’),共晶點(diǎn)(Teu)和塌陷溫度(Tc),以確保一個(gè)安全和穩(wěn)健的循環(huán),并減少產(chǎn)品冷凍干燥后出現(xiàn)的有害缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。缺陷可能包括但不限于產(chǎn)品內(nèi)的物理塌陷或微塌陷、活性喪失和高水分含量。


微塌陷程度是頗具挑戰(zhàn)性的量化缺陷之一,許多配方由于藥物活性喪失而在第一個(gè)周期失效。



一、如何量化微塌陷程度?


MicroPress 微壓力凍干餅分析儀


 


MicroPress 微壓力凍干餅分析儀是一款由Biopharma公司開發(fā)的創(chuàng)新儀器,用于量化低密度材料中的原位微觀缺陷。


例如,甘露醇經(jīng)常用于配方中,它具有較高的關(guān)鍵溫度,可以掩蓋具有明顯較低關(guān)鍵溫度的產(chǎn)品的塌陷。葡萄糖的關(guān)鍵溫度在-41℃左右,當(dāng)與甘露醇結(jié)合時(shí),如果干燥超過關(guān)鍵溫度,就會(huì)塌陷。


然而,由于甘露醇的膨脹性,該混合物盡管可能存在結(jié)構(gòu)缺陷,但一旦冷凍干燥,就具有良好的外觀。在保持甘露醇濃度不變的同時(shí),可以通過改變葡萄糖的濃度來確定微塌陷的程度和餅狀結(jié)構(gòu)的影響。通常, 由于高溫,用來冷凍干燥這種溶液的循環(huán)不會(huì)使葡萄糖足夠冷凍干燥,因此可能會(huì)發(fā)生塌陷。相反,甘露醇會(huì)干燥足夠的量來保持蛋糕的結(jié)構(gòu)。然而, 由此產(chǎn)生的,看似不明顯的微觀的塌陷,會(huì)影響復(fù)水性,以及藥物本身的穩(wěn)定性和活性。


以下是結(jié)合使用了MicroPress 微壓力凍干餅分析儀的具體實(shí)驗(yàn)方法。



二、具體實(shí)驗(yàn)方法


1、配方溶液制備


樣品溶液的制備方法見表1。所有化學(xué)品均來自Sigma Aldrich。使用6ml西林瓶灌裝2ml。


1:起始溶液的濃度


2、樣品冷凍干燥


這些小瓶用表2所示的方法冷凍干燥。預(yù)凍讓所有的樣品被冷凍,使晶體尺寸增加,樣品進(jìn)入下一個(gè)階段干燥。


在干燥階段,壓力降低,使冰升華,干燥產(chǎn)品。所有樣品都放置在凍干機(jī)的同一個(gè)托盤上,以控制干燥過程中的可見變量。


 2:在SP Scientific冷凍干燥機(jī)上使用的凍干工藝


3、MicroPress測量與分析


所有的樣品都在MicroPress上使用相同的一組參數(shù)進(jìn)行分析 ,通過用戶友好的軟件設(shè)計(jì),參數(shù)很容易設(shè)置,并可以更改以適應(yīng)多種要求。參數(shù)設(shè)置情況見表3。


3MicroPress測試階段及相應(yīng)的速度


Extend階段的速度為10mm/s,與估計(jì)的蛋糕高度的距離在5mm以內(nèi)。Seek階段找到蛋糕的頂部,一旦感覺到力,Compress階段開始,然后記錄施加在蛋糕上的力。


4、結(jié)果分析


下表4顯示了從配方分析獲得的結(jié)果。配方1具有最高的楊氏模量,因此是最強(qiáng)的蛋糕。


4:獲得的3種配方的強(qiáng)度結(jié)果


●   配方1的平均楊氏模量為0.969 kPa,配方1中最強(qiáng)的值為圖1中的橙色。該蛋糕的楊氏模量為1.246 kPa,最大應(yīng)力為17.600 kPa;


●  1中的另外兩條曲線分別表示配方2 (灰色) 和配方3 (藍(lán)色) 。配方2的楊氏模量為0.473 kPa,最大應(yīng)力為7 kPa;


●   配方3(藍(lán)色)看似比配方2(灰色)有一個(gè)更高的最大應(yīng)力,實(shí)際上真正的最大應(yīng)力在應(yīng)變51%左右,楊氏模量為0.017 kPa,最大應(yīng)力為2.660 kPa,是所有被分析的蛋糕中最弱的。


 

1:使用MicroPress分析的三種配方圖(配方1-橙色,配方2-灰色,配方3-藍(lán)色)



三、關(guān)于實(shí)驗(yàn)的討論


4中為本次實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)。甘露醇/葡萄糖樣品溶液中的葡萄糖濃度越高,蛋糕的強(qiáng)度就越弱。傳統(tǒng)的甘露醇被用作賦形劑,已知它對(duì)許多配方的關(guān)鍵溫度有積極 的影響。然而,這可能掩蓋了一個(gè)配方可能具有的一些關(guān)鍵溫度。葡萄糖的塌陷溫度為-41.0℃,當(dāng)甘露醇凍干時(shí),塌陷在甘露醇支架上。這種蛋糕看起來很結(jié)實(shí), 眼見的外觀良好,但當(dāng)用掃描電鏡或類似的技術(shù)分析時(shí) ,晶格看起來更濕潤,孔隙更寬。


當(dāng)用MicroPress分析時(shí),增加葡萄糖濃度對(duì)材料強(qiáng)度的影響是很明顯的。蛋糕內(nèi)的葡萄糖越多,物質(zhì)強(qiáng)度就會(huì)減弱。當(dāng)使用冷凍干燥顯微鏡(FDM)或差示掃描量熱法(DSC)進(jìn)行分析時(shí),發(fā)現(xiàn)樣品往往只顯示甘露醇的結(jié)晶和熔化,而甘露醇有著強(qiáng)大的外部結(jié)構(gòu),掩蓋了葡萄糖的玻璃化轉(zhuǎn)變。


關(guān)鍵溫度分析只揭示了甘露醇的熔化,因此當(dāng)產(chǎn)品凍干保持樣品在-10℃以下,葡萄糖在主體材料中塌陷。因此, 由于葡萄糖的關(guān)鍵溫度較低,甘露醇通常能夠在標(biāo)準(zhǔn)的初級(jí)干燥條件下很好地干燥,而葡萄糖則不能。此外,當(dāng)配方中的葡萄糖濃度增加時(shí),蛋糕內(nèi)的微塌陷程度增加,從而產(chǎn)生較弱的蛋糕。在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過程中,有微塌陷的材料更容易損壞或減少活性成分。



四、結(jié)論


傳統(tǒng)上,凍干樣品的質(zhì)量是由一些定性技術(shù)來確定的,包括;視覺評(píng)估,復(fù)水時(shí)間,與參考文獻(xiàn)相比的外在強(qiáng)度,水分含量。然而,這是一種主觀的分析,數(shù)據(jù)的質(zhì)量可能取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)。Biopharma公司開發(fā)了這種壓痕技術(shù) ,并將其應(yīng)用于凍干蛋糕,以減少主觀性,并提供凍干產(chǎn)品的定性數(shù)據(jù),以確定樣品中是否存在產(chǎn)品缺陷。


 


配方中每個(gè)成分的關(guān)鍵溫度與配方的整體關(guān)鍵溫度同樣重要,凍干產(chǎn)品在一個(gè)看似安全的溫度會(huì)導(dǎo)致弱蛋糕由于凍干期間結(jié)構(gòu)減弱和微塌陷影響蛋糕的強(qiáng)度。


一旦材料被凍干,MicroPress可以用來測試得到的蛋糕的物理特性,以及它們是否在整體強(qiáng)度的所需參數(shù)范圍內(nèi)。在MicroPress上分析的蛋糕還可以使用卡爾-費(fèi)休法測試水分含量, 如果需要玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔點(diǎn)溫度也可以使用mDSC進(jìn)行測試。


一旦確定了凍干樣品的初始曲線,可以改變配方,增加其它輔料,這可能會(huì)影響凍干蛋糕強(qiáng)度。如表4所示,增加材料的濃度并不一定會(huì)增加蛋糕的強(qiáng)度。因此,如果在運(yùn)輸過程中發(fā)現(xiàn)蛋糕破裂或破碎的問題,則應(yīng)進(jìn)行輕微的改變,或包含或排除一種或多種輔料可能是有益的。