不知道大家在處理樣品的冷凍干燥過程中有沒有遇到這樣一種情況？明明進行了預凍，但在后續低壓干燥過程中，突然就出現了炸瓶！

并且，有這個問題的似乎不在少數！但很多時候，大家會把問題歸結于儀器質量不過關等原因！

本著求知若渴的態度，我們咨詢專業人士，給出的答案是——預凍不充分的樣品在后續低壓干燥中也可能會炸瓶！

                         圖1：預凍不充分的樣品可能會炸瓶

預凍不充分還會影響制品質量

冷凍干燥的預凍，是將溶液冷卻到一定溫度，在此溫度下，水和固體被充分結晶或冰晶和固體被包圍在一個非晶態濃縮固體，自由水固化，賦予產品干燥后與干燥前有相同的形態，防止抽空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質移動等不可逆變化發生。也就是把物料冷凍成固態，并形成一個適合干燥的結構(matrix)。

預凍非常重要，可以影響后續的兩個干燥階段，終影響制品的質量。

當溫度降低時，液態轉變為固態，有兩種不同狀態，一種是粘度極大，流動性差，形成一種玻璃態的無定型結構（amorphous），另外一種是規則的晶體結構（crystalline）。在預凍過程中，預凍的溫度、速度和時間是重要的控制參數。

共晶溫度在凍干工藝中的含義

共晶溫度（Eutectic temperature, Te）：

幾種物質組成的混合溶液，在凍結過程中，開始時某些組分結晶析出，使剩下的溶液濃度發生變化。當達到某一溫度或溫度區域時，其液態和所形成的固態中的組分*相同，這時的溶液稱為共晶溶液，這時的溫度或溫度區間稱為該溶液的共晶點或共晶區，也稱為*固化溫度，它是產品在冷卻過程中從液態結束轉向固態的高溫度。共晶溫度為凍干過程中預凍應達到的高溫度，一般預凍過程應低于其共晶溫度10-20℃。

如何形成晶體結構

溶液在凍結過程中，往往需過冷到冰點以下，稱為過冷溫度，其內部產生晶核以后，自由水才開始以sheer ice的形式結晶，同時放出結晶熱，使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度增加，當濃度到達共晶濃度，這時溫度下降到共晶點以下時，溶液就全部凍結，形成晶體結構。

塌陷溫度在凍干工藝中的含義

塌陷溫度(Collapse temperature, Tc)：

凍干時，當干燥層溫度上升到一定數值后，物料中的冰晶消失，原先為冰晶所占據的空間成為空穴，因此凍干層呈多孔蜂窩狀海綿體結構。此結構與溫度有關。當蜂窩狀結構體的固體基質溫度較高時，其剛性降低。當溫度達到某一臨界值時，固體基質的剛性不足以維持蜂窩狀結構，空穴的固形物基質壁將發生塌陷，原先蒸汽擴散的通道被封閉，此臨界溫度稱為凍干物料的崩潰溫度或塌陷溫度。

玻璃化轉變溫度在凍干工藝中的含義

玻璃化轉變溫度（Glass transition temperature, Tg’）：

凍干過程的玻璃轉化溫度指大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度。在無定型結構材料中，原子、離子或分子的排列是無規則的。因為在凍結過程中隨著冰晶的析出，剩余溶液的濃度逐漸增加，當達到一定濃度時，剩余的水分不再結晶，此時的溶液達到大凍結濃縮狀態，對應的溫度稱為大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度。

制品結構與預凍的關系

在生物制藥領域中，使用凍干工藝的絕大部分制品是無定型結構，小部分制品是晶體結構，或者是混合結構。除了與制品配方有關外，晶體結構的形成還與預凍溫度和速度有關。

根據近的研究表明，在Tg’溫度下預凍，會形成無定型結構。在大于Tg’且小于Te的溫度下預凍，則形成晶體結構。晶體結構可以更快和更容易凍干，但穩定性和溶解性稍差；無定形結構凍干比較難，但穩定性和溶解性好。

方法原理不同，但都是為了摸索工藝

共晶點、塌陷溫度、玻璃轉化溫度，采用的測量方法和原理不同，都是為了找到預凍、主干燥的溫度等，摸索工藝。

一般情況，塌陷溫度Tc比共晶點溫度Te稍高，共晶點溫度Te較玻璃化溫度Tg’高。多數情況下，塌陷溫度Tc要比玻璃化溫度Tg’高20K左右。凍干制品升華前，必須凍結到一定的溫度，這個溫度應設在制品的凝固溫度以下10至20℃左右。該凝固溫度，主要取決于樣品凍干過程中需要固化的狀態，是晶體結構還是無定型結構。晶體結構，對應溫度為Te；無定型結構，對應溫度是Tg’。

在回火(Annealing)的操作中，在低于Tg'情況下預凍，然后把隔板溫度設定在高于Tg', 但低于Teu的溫度，形成回火，再降溫，在低于Tg'情況下預凍，可使制品凝結更加均勻。

                         圖2：樣品維持在＞Tg’且＜Teu溫度的結晶情況

如圖中所示，預凍后將樣品維持在＞Tg’但＜Teu的溫度一段時間后，結晶變得更加明顯且均勻。

如何快速實現配方關鍵溫度的測量

                 圖3：凍干顯微鏡Lyostat5及搭配使用的DSC模塊

英國Biopharma Group公司提供的凍干顯微鏡Lyostat5以及可與顯微鏡搭配使用的DSC模塊，可以輕松實現配方關鍵溫度的測量。

使用Lyostat5凍干顯微鏡進行塌陷溫度的測量：

        圖4.1：溫度超過塌陷溫度Tc后樣品結構消失

         圖4.2：再次降溫冷凍后觀察到新的干燥結構

使用DSC模塊測量玻璃轉化溫度Tg’：

          圖5：使用DSC模塊測量的玻璃轉化溫度Tg’