冷凍干燥是把含有大量水分的物料在低溫下冷凍，然后將其由固態(tài)直接升華為氣態(tài)的一種干燥技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定蛋白質(zhì)、多肽等生物藥物制劑的干燥。凍干技術(shù)具有高度的特異性，需要高度可控的生產(chǎn)方案，因此需要設(shè)計(jì)合理的凍干工藝。

 

合理的凍干工藝設(shè)計(jì)是建立具有代表性和準(zhǔn)確的關(guān)鍵配方溫度測(cè)量的基礎(chǔ)上的。在初級(jí)干燥中為了避免產(chǎn)品坍塌或收縮，必須將樣品溫度控制在關(guān)鍵溫度以下，這個(gè)溫度被稱為"臨界配方溫度"。

 

對(duì)于晶體體系，最大耐受溫度是共晶溫度；對(duì)于非晶體系，臨界溫度取決于應(yīng)用的分析方法，一般以最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’或塌陷溫度Tc表示。過(guò)去幾十年，差示掃描量熱儀（DSC）經(jīng)常被用來(lái)確定凍干臨界配方溫度。

 

差示掃描量熱儀（DSC）是指在程序控溫下，通過(guò)量測(cè)樣品吸收或釋放的熱量，從而定性或定量地表征樣品物理或化學(xué)變化的一種分析測(cè)試技術(shù)。

 

 01  玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’

 

最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’是樣品在凍結(jié)過(guò)程中從粘性的、橡膠態(tài)液體向剛性的玻璃態(tài)體系的可逆轉(zhuǎn)變。

 

如圖1所示，當(dāng)樣品溫度低于冰點(diǎn)后開(kāi)始形成小冰晶，隨著溫度繼續(xù)降低，溶液濃度增加，直到到達(dá)共晶點(diǎn)Teu形成共晶體；此時(shí)仍有部分溶液不能形成共晶，這部分溶液隨著溫度繼續(xù)降低以非晶態(tài)形成過(guò)飽和溶液，最終wan全固化形成玻璃態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’。

 

DSC是常用的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表征技術(shù)，以玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中熱容Cp的階躍變化為特征，表征比熱階躍變化而帶來(lái)的熱流階躍變換。

 

以圖2的DSC熱流曲線為例，左圖是從10℃降溫到-60℃（藍(lán)色曲線），再升溫（綠色曲線）的過(guò)程。藍(lán)色曲線中可以看到非常明顯的水的結(jié)晶放熱現(xiàn)象，將升溫曲線放大到右側(cè)可以看到明顯的臺(tái)階式變化，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’=-36.6℃。

圖2 凍干溶液的DSC曲線

 

 

02  共晶熔融溫度Teu

 

晶體體系的最大耐受溫度就是共晶熔融溫度。DSC也是常用的表征方法，在加熱過(guò)程中，熱流曲線上表現(xiàn)為明顯的吸熱峰，將吸熱峰的外推起始點(diǎn)溫度（Onset溫度）定義為共晶熔融溫度。

 

圖3 共晶熔融溫度測(cè)量熱流曲線

 

03   表征非晶態(tài)中水的結(jié)晶

非晶態(tài)中水的結(jié)晶：由于凍結(jié)過(guò)程過(guò)快，一些可以結(jié)晶的水以無(wú)定型留在玻璃態(tài)基質(zhì)中。當(dāng)對(duì)樣品加熱，當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的玻璃會(huì)重新"液化"，并在足夠的時(shí)間內(nèi)發(fā)生結(jié)晶。調(diào)制DSC技術(shù)可以表征該過(guò)程的復(fù)雜相變。

 

調(diào)制DSC（MDSC）技術(shù)采用正弦升溫速率，將DSC總的熱流信號(hào)分成可逆熱流信號(hào)（樣品熱容）和不可逆熱信號(hào)（動(dòng)力學(xué)相關(guān)項(xiàng)）。如圖4所示，可以得到紅色的總熱流曲線，藍(lán)色的可逆熱流曲線和綠色的不可逆熱流曲線。

 

圖4 調(diào)制DSC熱流曲線

 

以圖5的40%凍干蔗糖水溶液為例，采集調(diào)制DSC升溫曲線，可以得到3條熱流曲線。首先分析綠色的總熱流曲線，看到玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶過(guò)程非常接近，普通的DSC曲線很難區(qū)分；而調(diào)制DSC可以看到明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（藍(lán)色），也可以很清晰的看到水的結(jié)晶。

 

圖5 凍干蔗糖溶液的調(diào)制DSC曲線

 

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