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四环冻干机—脂质体药物冻干(二)

更新时间:2023-10-25 点击次数:455

不同降温速率对脂质体悬浮液结晶的影响


利用自己研制的低温显微镜研究脂质体冻结过程中的冰晶生长图像。图 6-16 是海藻糖浓度为 0.05g/mL 的脂质体悬浮液的慢速降温过程的冰晶生长图像,从图中可以清晰地看出在此速率下形成的冰晶颗粒。图 6-17 是快速降温情况下的结晶图像,与图 6-16 相比,此时冰晶生长的速率非常快,在 1s 的时间内,冰晶已占据了显微镜的整个视野,冻结几乎是在一瞬间完成的。可以看到此时形成的冰晶非常细腻,用肉眼已看不到冰晶颗粒。

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结晶过程可以认为是由晶核形成和晶粒生长两个过程组成的,分均相成核和异相成核。经乳化后的水溶液可避免发生异相成核,因此脂质体悬浮液的结晶属均相成核。均相成核的晶核形成是由于温度的下降,在液相内的热起伏即能量和密度的随机涨落,使其内的分子聚集而生成晶核,对于较稀的脂质体悬浮液则是水分子的聚集形成冰晶晶核。在通常的过冷度范围内,随着过冷度的增大,成核概率是随着增大的,在较高的冷却速率下,样品的温度下降快,样品的冻结前已经达到了较低的温度,因此具有较大的过冷度,成核概率高,生成了比慢速降温时更多的晶核;同时由于在单位体积内的晶核数量多,冰晶的生长空间变得相对狭小,这样就形成了图 6-17 所示的快速降温时的细腻的冰晶结构

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冻干保护剂浓度对脂质体悬浮液结晶的影响  


图 6-18 是海藻糖浓度为 0.15g/mL 的脂质体悬浮液冻结时冰晶的形成过程。冻结过程的降温速率与图 6-17 所示的海藻糖浓度为 0.05g/ml 的脂质体悬浮液相当,由图可见这时晶体的生长速率明显低于图 6-17 所示的海藻糖浓度为 0.05g/ml的脂质体悬浮液。显然高浓度对冰晶的生长速率产生减慢的影响。

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从冰晶生长的动力学过程来说,晶体要生长,则水分子必须要穿过固液界面加入到晶格中。为达到这个目的,水分子就需要有适当的空间指向、位置及能量。对于水这种强极性分子,大部分是以水分子链的形式存在的,因此在固化时,冰晶的生长不仅存在单个分子的集合,同时还包含有水分子集团叠合,这就要求水分子集团也能有一个理想的状态,使其能加人到品格中而不会在品格内产生应力。如果大部分的水分子集团具有这种理想状态,冰晶就能快速生长。在高浓度的脂质体悬浮液中,大量的溶质分子的存在极大地干扰了水分子集团获得这种理想状态的能力,特别是在此时水分子较难获得理想的空间指向,产生的结果就是降低了晶体生长的速率。比较图 6-17 与图 6-18 所示的冰晶生长图像,可以看出随着脂质体悬浮液中海藻糖浓度的增大,冰晶生长速率降低。


冻结过程的冰晶生长与冻干品质量之间的关系


利用程序降温仪分别以20℃/min 和1℃/min 的降温速率把海藻糖浓度为 0.1g/mL的脂质体冻结到-65℃,然后在冻干机中冻干。上述不同降温速率的脂质体的冻干参数基本相同。冻干过程中真空度保持10Pa,在第一阶段干燥过程中通过控制加热板温度防止脂质体温度过高;同时由于脂质体中的自由水比较容易除去,此时冷阱温度不需过低,在一60℃左右即可,在第二阶段干燥过程中,脂质体中的结合水较难除去,为了缩短冻干时间,必须适当提高加热板温度,并降低冷阱温度到-100℃左右,这样便可增加脂质体与冷阱表面间的水蒸气压力差,水蒸气的凝结速率也就越大。从图 6-19 所示不同降温速率的冻干脂质体外观可以看出,降温速率为 1℃/min 的冻干脂质体产生塌陷和断裂,而降温速率为 20℃/min的冻干脂质体外观较好,将不同降温速率的冻干脂质体复水后,利用TSM超细颗粒粒度分析仪测试冻干前后脂质体粒径,如图 6-20 所示。降温速率为 20℃/min的冻干脂质体粒径变化较小,而降温速率为 1℃/min的冻干脂质体粒径比冻干前增大,并且分布范围变宽。

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理论上在冻干过程中,样品中大的冰晶不仅能加快热量的传递,而且由于冰晶升华后形成大的孔洞,将有利于水蒸气的逸出。但在相似的加热板温度和冷阱温度下,在冻干过程中降温速率为1℃/min 的脂质体冻干时间比降温速率为 20℃/min的脂质体的冻干时间延长约40min。一方面是由于慢速降温形成的表面浓缩层较厚,而在快速降温过程中,冰晶细且生长速率快,浓缩的脂质体来不及移动就被冻结,因此表面没有形成浓缩层。另一方面由于随着冻于过程的进行,大的冰晶升华后留下的孔洞较大,形成的网状骨架不能支承其本身的重量而塌陷,在表面形成硬壳,阻止水蒸气的逸出,从而恶化了传热传质,使冻干时间延长,同时也使脂质体的粒径增大,降低了冻干脂质体的临床应用效果。

快速降温的脂质体的冰晶比较细腻,表面没有浓缩层,并且冰晶升华后形成致密的网状结构,能够支承本身的重量而不塌陷,水蒸气能顺利逸出,因此快速降温不仅能减少冻干时间,而且冻干脂质体复水后囊泡的粒径变化较少。




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