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表面能與表面張力對(duì)凍干制劑中“小瓶霧化”現(xiàn)象的影響機(jī)制研究
來(lái)源: 瀏覽 57 次 發(fā)布時(shí)間:2025-12-04
科研中最難得的不是復(fù)雜的數(shù)據(jù),而是能從簡(jiǎn)單現(xiàn)象中揭示出普適規(guī)律的本質(zhì)洞察。
在生物制藥領(lǐng)域,凍干制劑因其卓越的穩(wěn)定性成為許多敏感活性成分的首選劑型。然而,一個(gè)看似微不足道的外觀問(wèn)題——“小瓶霧化”,卻長(zhǎng)期困擾著制藥企業(yè),導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢率居高不下。
藥明生物研究團(tuán)隊(duì)在《European Journal of Pharmaceutical Sciences》上發(fā)表的最新研究,從表面能與表面張力的角度揭示了這一現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì),為從根本上解決這一問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)[ccitation:7]。
01小瓶霧化現(xiàn)象的本質(zhì)
凍干完成后,理想狀態(tài)是得到均勻完整的“蛋糕”,但現(xiàn)實(shí)往往偏離預(yù)期。小瓶霧化表現(xiàn)為凍干后玻璃瓶?jī)?nèi)壁出現(xiàn)白色霧狀附著物,是凍干產(chǎn)品常見(jiàn)的外觀缺陷之一。
這種現(xiàn)象雖不影響藥效,但會(huì)引發(fā)對(duì)包裝完整性的擔(dān)憂。在嚴(yán)格的質(zhì)量檢查中,這種外觀缺陷直接導(dǎo)致產(chǎn)品不合格率上升,顯著增加生產(chǎn)成本。
霧化現(xiàn)象與傳統(tǒng)認(rèn)知中的“馬蘭戈尼效應(yīng)”密切相關(guān)。該效應(yīng)指溶液在表面張力梯度驅(qū)動(dòng)下爬升并附著在瓶壁的過(guò)程。理解這一機(jī)理,是破解霧化難題的第一步。
02表面能與表面張力的科學(xué)內(nèi)涵
要深入理解霧化現(xiàn)象,必須明確表面能與表面張力的物理意義。這兩個(gè)概念常被混淆,但在霧化過(guò)程中扮演著截然不同的角色。
表面能是表征瓶壁“粘附力”的參數(shù)。表面能越高,瓶壁越容易“抓住”溶液。而表面張力是藥液表面收縮的能力,表面張力越低,藥液越容易鋪展和潤(rùn)濕。
研究表明,霧化的嚴(yán)重程度與小瓶的表面能成正比,與藥液的表面張力成反比。這意味著瓶壁越“粘”,藥液越“散”,霧化現(xiàn)象就越嚴(yán)重。
這一發(fā)現(xiàn)為量化預(yù)測(cè)霧化程度提供了理論基礎(chǔ),使企業(yè)在凍干前就能評(píng)估霧化風(fēng)險(xiǎn)。
03小瓶類型的關(guān)鍵影響
研究對(duì)比了不同品牌和工藝的小瓶,發(fā)現(xiàn)小瓶類型是決定霧化程度的決定性因素[ccitation:1]。
涂層小瓶(如Schott、Ompi涂層瓶)表面能極低(<32 mN/m),能有效防止溶液爬升,幾乎不產(chǎn)生霧化現(xiàn)象。而未涂層小瓶表面能較高(>60 mN/m),霧化現(xiàn)象非常明顯。
數(shù)據(jù)表明,不同廠商的未涂層小瓶在表面能和霧化程度上也存在差異。例如,研究發(fā)現(xiàn)與肖特西林瓶相比,歐米標(biāo)準(zhǔn)西林瓶的表面能較低,其霧化現(xiàn)象也相對(duì)較輕。
選擇低表面能的涂層小瓶成為解決霧化問(wèn)題最直接有效的方法。
04去熱源工藝的隱形影響
小瓶在灌裝前需進(jìn)行高溫去熱源處理,這是確保產(chǎn)品無(wú)菌的必要步驟。但研究發(fā)現(xiàn),這一工藝會(huì)顯著改變瓶壁性質(zhì),進(jìn)而影響霧化程度。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,未經(jīng)清洗和去熱源處理的小瓶表面能最低,霧化最輕。經(jīng)過(guò)250°C/1小時(shí)處理后,表面能升高,霧化加重。而經(jīng)過(guò)350°C/0.5小時(shí)更劇烈處理后,表面能最高,霧化也最嚴(yán)重。
這種變化可能與熱處理后西林瓶?jī)?nèi)表面特性的重新排布有關(guān)。研究表明,硅醇基的縮合在不同溫度區(qū)間會(huì)形成不同的硅酸鹽環(huán)結(jié)構(gòu),影響表面再水化速率,從而改變與溶液的相互作用動(dòng)力學(xué)。
在滿足無(wú)菌保證的前提下,謹(jǐn)慎評(píng)估和選擇去熱源工藝參數(shù)顯得尤為重要。
05表面活性劑的雙刃劍效應(yīng)
表面活性劑在維持蛋白藥物穩(wěn)定性方面不可或缺,卻是一把“雙刃劍”。它們會(huì)顯著降低藥液的表面張力,從而加劇霧化現(xiàn)象。
研究結(jié)果顯示,表面活性劑濃度越高,表面張力降低越明顯。比較兩種常用表面活性劑,PS20降低表面張力的效果比PS80更強(qiáng)。
相應(yīng)地,使用PS20或更高濃度表面活性劑的處方,凍干后霧化也更嚴(yán)重。在相同濃度下,用PS20制備的樣品比用PS80制備的樣品霧化現(xiàn)象更嚴(yán)重。
鑒于在不含表面活性劑的樣品中很少出現(xiàn)霧化現(xiàn)象,可以推斷表面張力越高,霧化程度越低。這為處方優(yōu)化提供了明確方向。
06溫度對(duì)表面張力的調(diào)控作用
除了小瓶性質(zhì)和處方組成外,溫度是影響表面張力的另一關(guān)鍵因素。研究觀察到表面張力值隨著溫度的降低而升高。
這一現(xiàn)象與分子熱運(yùn)動(dòng)理論相符:溫度升高,分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,液體分子間距離增大,相互吸引力減小,最終表現(xiàn)為表面張力降低。
溫度對(duì)表面張力的影響為減輕霧化現(xiàn)象提供了新思路。一些研究發(fā)現(xiàn),將凍干前的保溫溫度調(diào)節(jié)至5℃,可能影響霧化程度。
如果在生產(chǎn)區(qū)域的灌裝和裝瓶過(guò)程中,溫度能夠保持在2-8℃,霧化問(wèn)題可能會(huì)得到進(jìn)一步緩解。
07解決霧化問(wèn)題的綜合策略
基于上述研究發(fā)現(xiàn),解決小瓶霧化問(wèn)題需要多管齊下的綜合策略。
首要措施是選擇低表面能的涂層小瓶。如肖特TopLyo®注射劑瓶,其采用獨(dú)特的等離子體脈沖化學(xué)氣相沉積法(PICVD)技術(shù),形成零游離硅的疏水內(nèi)表面,能有效防止霧化爬壁。
其次要優(yōu)化去熱源工藝參數(shù)。在保證無(wú)菌的前提下,盡量選擇較溫和的熱處理?xiàng)l件,避免過(guò)度高溫處理導(dǎo)致表面能顯著升高。
處方方面需謹(jǐn)慎使用表面活性劑。在保證藥物長(zhǎng)期穩(wěn)定性的前提下,優(yōu)化表面活性劑的種類和濃度,尋找穩(wěn)定性和外觀之間的最佳平衡點(diǎn)。
工藝控制上可考慮低溫灌裝。在生產(chǎn)條件允許的情況下,降低灌裝和環(huán)境溫度,有助于提高表面張力,減輕霧化。
隨著生物藥市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大,凍干制劑的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。表面能低于32 mN/m的涂層小瓶與優(yōu)化后的處方工藝相結(jié)合,將成為解決霧化問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)方案。
這一解決方案不僅提升了產(chǎn)品外觀質(zhì)量,更降低了生產(chǎn)成本,使生物藥能惠及更多患者??茖W(xué)的進(jìn)步,正是源于對(duì)這些看似微不足道的問(wèn)題的深入探究與精準(zhǔn)破解。





