在每个冷冻干燥工艺开发中，了解解决方案的热特性至关重要。冷冻干燥显微镜 (FDM)分析在确定解决方案是否适合冷冻干燥以及确定工艺的最佳配方方面发挥着至关重要的作用。

在本文中，对冷冻干燥过程中结晶和非晶溶液之间的差异进行讨论，探讨临界温度的重要性，例如无定形溶液中的塌陷温度和结晶溶液中的共晶温度，以及它们如何影响冷冻干燥过程的结果。

热特性的重要性

FDM 分析过程中，样品在经过验证的温度下进行冷冻，稳定期后，施加真空并开始升华。实际冷冻干燥周期与 FDM 分析之间的主要区别在于后者的升华温度尚未确定。相反，在整个研究过程中温度以恒定的速率升高。因此，可以检测到样品结构在哪个温度开始出现缺陷，并将其记录为临界温度。

 

FDM 分析中的变异性

并非所有样本的行为方式都相同。在分析新解决方案时，其 FDM 分析结果很少与之前的解决方案相同。在冷冻干燥过程中，溶液的化学性质及其配方严格决定了溶液的关键参数以及分析和解释通过显微镜看到的内容的方式。

在样品结构中检测到的缺陷往往与“塌陷”现象直接相关，“塌陷”现象决定了样品的塌陷温度。从技术上讲，这种状态不可能适用于所有样品，因为它是与非晶溶液相关的具体参数。

 

定义临界温度

仅关注纯溶液，无定形溶液（如 5% 海藻糖）与结晶溶液（如 5% 氯化钠）不同，尽管它们通常以相同的方式解释，但它们的行为和超过临界温度时的影响是完全不同的。

结晶体系和非晶体系之间的主要区别在于它们的分子结构。晶体由规则的有序图案组成，而无定形系统则不遵循任何特定的空间排列。

 

无定形样品经历结构损坏的温度被确定为其塌陷温度(Tc)。这种现象通常被观察为紧邻液滴升华前沿的固相结构破裂，光可以穿过液滴并被显微镜检测到（图 1）。塌陷温度也与开始塌陷温度 (Toc, Onset collapse temperature )不同，因为后者定义了检测到结构缺陷的最小迹象的第一个时刻。

图 1. 图 A 显示了非晶态系统的开始塌陷温度 (Toc) 的 FDM 捕获。红色箭头表示样品固体部分的升华前沿的缺陷。图 B 显示了同一样品的完全塌陷温度 (Tc)。

 

如果样品在冷冻干燥周期中超过其 Tc，结构的损坏就会开始阻塞水蒸气流经的孔隙，并且由于水份被锁住无法完成升华，结果就是得到粘稠的软糖般冻干饼（图2），并且其被认为是不合格品。

图 2. 无定形系统的塌陷饼。图 A 显示了小瓶中的整个塌陷饼，图 B 显示了通过透镜看到的塌陷样品的粘稠、胶状质地。

 

另一方面，晶体样品出现结构缺陷的温度称为共晶温度 (Teu)，溶液的一种成分在高于该温度后开始熔化，而另一种成分保持冻结状态。通过显微镜可以很好地观察到，首先在样品的冷冻相上出现微小的黑点（图3A），这表明样品已经超过其共晶温度并开始熔化，其次是外观沿升华前沿的熔化区域以及随后的结构损失，这明显类似于塌陷现象（图 3B）

图 3. 图 A 中的红色箭头表示样品的第一个熔化区域。图像 B 中的红色箭头表示沿升华前沿的去熔化区域。

冷冻干燥时超过共晶温度的结晶体系的结果也不同于无定形体系。样品在真空条件下熔化会导致沸腾boiling阶段，从而破坏升华过程，并阻碍结块的形成。结果会观察到熔化的溶液和沸腾的迹象（图 4）。

图 4. 在冷冻干燥循环中超过其共晶温度后的结晶溶液。

 

结论

了解冷冻干燥中结晶和非晶溶液之间的区别对于成功的工艺开发至关重要。通过识别临界温度和潜在缺陷，药物开发人员可以优化配方并确保其产品在整个冷冻干燥过程中的完整性。有了这些知识，从配方到最终产品的过程变得更加精确和可靠。

作者：Shengyi
来源：拾西
公众号日期：2024年3月22日