一次冻干产品工艺中出现的问题、关键因素及改进案例分享

背景
XXX II期临床样品开发中出现的问题

01  冻干制品出箱时外观存在萎缩、坍塌等外观缺陷，批内水分差异很大（1-4%之间），样品外观缺陷通常发生在板层边缘的样品，但不是每一批都会出现；

02  外观正常的冻干制品在保存过程中外观出现萎缩、坍塌等外观缺陷，经检测储存过程中发生萎缩的产品水分均较高为3-4%；

03  现有的配方和冻干工艺的开发是I期临床阶段通过试错试验实现的，因此，批次之间的可重复性已经很好地建立，但工艺稳健性是未知的。
   
关键因素分析
根据这个情况对药品处方组成及生产工艺进行了评估。评估方法：通过对药品处方/生产工艺过程进行风险分析，筛选出影响质量的高风险关键因素，并对关键因素进行分析，确认影响原因。针对关键因素设计实验，通过工艺优化，将高风险的关键因素降为低风险的关键因素。

• 处方组成分析

风险	风险分析	分析依据
外观	高	活性成分：0.5% v/v Albumin 辅料成分：1% w/v Sucrose /缓冲剂 辅料用不具有治疗活性，其作用为Bulking agent和冻干保护剂。但不同的填充剂由于其自身结晶性质，导致在冷冻干燥过程中坍塌温度（Te/Tc/Tg'）存在差异，而当药品升华阶段冷冻干燥温度高于Tc/Tg'温度时，药品会出现萎缩、塌陷等外观缺陷，外观不合格时，也影响水分。
水分	高

 

• 料液浓度分析

风险	风险分析	分析依据
性状	低	当药液浓度过低时，会出现冷冻干燥过程中成型差，过高则影响，影响药品性状外观。通常建议将冷冻干燥的药液浓度确定在4%-25%之间（质量分数），本产品料液浓度在该范围内，不会出问题。
水分	低	要冻干工艺合适，不会影响产品水分。

 

• 胶塞处理工艺分析

风险	风险分析	分析依据
外观	中	胶塞处理工艺对胶塞的残留水分影响很大，因为胶塞的残余水分在储存过程，可能会逐渐迁移到冻干药品中导致药品水分上升，降低产品的Tg使得在保存过程中出现萎缩等外观缺陷。 胶塞是在GMP条件下处理的。胶塞材质为West溴化丁基胶塞，根据吸湿性可归类为高吸湿胶塞，理论上是不会影响产品的外观的。
水分	中	胶塞的残余水分在储存过程，可能会逐渐迁移到冻干药品中，导致药品水分上升，药品水分变化后，冻干制品内结构可能会发生形变，造成性状发生变化。

 

• 灌装工序分析

风险	风险分析	分析依据
性状	低	无影响
水分	低	无影响

 

• 冻干工艺分析

风险	风险分析	分析依据
外观	中	预冻工艺：不同的预冻类型可能影响产品的宏观外观。
	高	升华干燥工艺：升华干燥工艺温度的情况下使得产品温度超出Tc/Tg’太多会使产品塌陷、萎缩，尤其是边缘效应显著的情况下，印证了本产品的边缘样品萎缩较多的情况
	高	解析干燥工艺：解析干燥工艺不充分的情况下，产品水分过高，会使得产品在储存过程中萎缩或者影响产品的稳定性。印证了本产品的储存过程中出现萎缩的情况。
水分	高	预冻工艺：不同的预冻类型一定会影响产品的微观结构（传质阻力），而这些微观结构必然影响产品的干燥效率，进而影响冻干制品水分。 一般情况下：快冻传质阻力较高，则升华干燥速率慢，解析干燥速率快；退火传质阻力较小，则升华干燥速率快，解析干燥速率慢。
	中	升华干燥工艺：正常情况下升华干燥工艺不是决定冻干制品水分的关键影响因素。但若出现塌陷、萎缩等外观缺陷，可能会出现水分不合格问题。
	高	解析干燥工艺：冻干的水分由解析干燥工艺决定，如温度、时间，但解析干燥压力不是显著影响因素。

 

• 轧盖工序分析

风险	风险分析	分析依据
外观	低	轧盖密封性正常情况下，无影响。
水分	低	轧盖密封性正常情况下，无影响。

 
关键因素汇总

关键因素		外观	水分	关键因素
处方组成分析		高	高	是
料液浓度分析		低	低	否
胶塞处理工序分析		中	中	是
灌装工序分析		低	低	否
冻干工艺	预冻工艺分析	中	高	是
	升华干燥工艺	高	中	是
	解析干燥工艺	低	高	是
轧盖工序分析		低	低	否

通过对处方组成及生产工艺过程进行分析，确认了影响药品外观、水分的关键因素为处方组成、胶塞、冻干工艺。
其中胶塞为中等风险影响因素；
处方组成、冷冻干燥为高风险影响因素。
因此针对不同的风险设计相应实验方案，以确认可将以上关键因素的风险降至可接受水平。
审计
与项目方进行了充分的交流，对相关的/关键的数据进行了审计。
 

• 冻干曲线审计

 
对冻干曲线进行审计，冻干曲线存在一些问题：
1.  预冻时温度没有达到板层设置温度（-50℃）附近，产品没有冻结实会造成后期产品升华干燥时的萎缩。
2.  升华干燥阶段压力波动很大，未知原因。
3.  升华干燥阶段末期产品温度到设置板层温度Tshelf，表明升华完成，但未放探头的小瓶呢？
4. 设置升华干燥阶段和解析干燥阶段的过度梯度的目的尚不清楚。
 

• FDM分析

项目方对产品进行了FDM检测。
    
左图：样品温度-37.0℃时，晶体间隙开始出现亮点，晶型结构即将被破坏。
右图：样品温度-23.5℃时，与左图比较，晶体间隙已出现明显的亮处，结构已被完全破坏。
则产品的 塌陷温度(Tc)为 -37℃
 

• Impedance and Differential Thermal Analysis分析

对高浓缩蛋白制剂的差示扫描量热法分析（DSC）可能无法提供可靠的玻璃化转变数据，因为蛋白质的ΔCP极低，项目方对产品进行了阻抗/差热分析。
 

• 阻抗/差热分析显示-45°C时的玻璃化转变，阻抗分析在-37°C下显示冷冻材料在塌陷前的软化。
• 所以预冻时产品温度应保持在低于-45°C，升华干燥时产品应该低于-37°C以处于“安全区”。

 

• 初步审计结论

根据FDM/阻抗/DTA的检测结果、冻干曲线产品温度情况分析，中间产品/边缘产品温度均超出了-37°C是发生塌陷萎缩/水分差异很大的关键原因。
   
从分析数据来看，冻干曲线上的产品温度数据与特性数据/关键温度之间不匹配，当前工艺将导致产品质量不佳/不均一。
 
1.   产品预冻温度不够低/预冻时间不够长，板层温度应该设为-55°C/-60°C。
2.  升华干燥时产品温度没有保持在关键温度（Tc/Tg’）之下，尤其是边缘效应的作用更是加剧了塌陷的发生，同样塌陷的产品水分也差异很大。
3.  产品的塌陷萎缩造成升华干燥过程中压力波动。
 
可能的补救措施：

• 优化升华干燥工艺，使产品温度低于塌陷温度;
• 优化处方，提升产品的关键温度来更好的适应冻干工艺;
• 同时优化处方和冻干工艺;

项目方结论:

• 项目方的冻干机不可能将预冻温度降低至-55°C（速度非常慢）/-60°C（达不到）；
• 在升华干燥时降低板层温度是可以的，冻干周期时间会很长而使成本很高，所以不予考虑；
• II期临床需开发更大的剂量（浓度保持一样，装量更大），项目方选择优化处方，提升产品的关键温度（Tc/Tg’）来适应现有冻干机的工艺性能，同时重新开发冻干工艺，、

实验设计

• 胶塞处理

药品在长期存放过程中，胶塞可能会释放水分，造成药品的外观、水分不合格。
胶塞处理工艺暂不变更，在处方优化/稳定性考察时，对胶塞进行考察。

• 处方改进/优化

• 无定形处方要求升华干燥时产品温度保持在配方的塌陷温度以下;
• 原来处方的塌陷温度很低，升华干燥如产品温度保持在塌陷温度以下，会使冻干成本很高，所以用塌陷温度修饰剂来提升产品的塌陷温度，从而降低升华干燥周期而不影响产品质量;
• 常用的塌陷温度修饰剂有Dextran、Ficoll、Gelatin、Hydroxyethyl starch，经评估选择Dextran作为塌陷温度修饰剂;
• 为什么不选择甘露醇呢，即使它是冻干产品中最常用和最广泛使用的辅料，具有非很高常高的共晶熔化温度（-1.4℃），使产品更容易冻干成型。但对于某些产品如冻干蛋白质等生物制剂其预冻阶段的结晶和可能的半水合物生成会对产品的稳定性有不利的影响，并不是一个较好的bulking agent，应首选无定形的bulking agent。
• 在处方优化对冻干保护剂：Raffinose、Trehalose、Sucrose、Lactose与Dextran的交互作用对产品的影响进行了评估，设计了如下八个处方，其中处方1-处方4作为对照样品。

 

Candidate	Saccharide	Polymer	Protein	Buffer
1	Raffinose	None	Albumin	Tris-HCl
2	Trehalose	None	Albumin	Histdine
3	Sucrose	None	Albumin	Tris-HCl
4	Lactose	None	Albumin	Histdine
5	Raffinose	Dextran	Albumin	Tris-HCl
6	Trehalose	Dextran	Albumin	Histdine
7	Sucrose	Dextran	Albumin	Tris-HCl
8	Lactose	Dextran	Albumin	Histdine

工艺描述
1.8个处方的冻干工艺采用保守工艺来避免样品的塌陷：升华干燥工艺板层温度设置为-40°C，冻干周期为96小时;
2.候选处方在相同的工艺变量条件下进行比较。
   

• 实验结果

1.8个处方都可以成功冷冻干燥，外观均可接受（未出现 塌陷萎缩等外观缺陷），水分均<3%。对8个处方的样品进行了稳定性研究/对比，最终确定了处方5为首选处方，后期进行更高剂量条件下的冻干工艺开发。
2.处方5的玻璃化转变温度Tg’为-37°C，共晶点温度Teu为-24°C，塌陷温度Tc为-38°C，退火后的塌陷温度Tc为-15°C，处方的关键特性温度在当前冻干机性能范围之内。
3.优化预冻工艺为：退火工艺，退火工艺可以显著提升崩解温度为-15℃，成型性更好，同时扩大升华通道孔径，降低升华阻力，可以大幅度缩短干燥时间。
 

• 冻干工艺

处方优化完成之后，则对高剂量的冻干工艺进行详细的开发

• 工艺 1

 

• 实验结果

   
1.冻干曲线红色星星标记处：产品温度表明升华干燥尚未完成，但产品温度仍低于塌陷温度Tc=-15℃，所以产品不塌陷萎缩，则冻干升华干燥工继续优化;
2.冻干周期133小时;
3.水分<1%
4.外观：良好。
 

• 工艺 2

根据工艺1的结果，升华干燥不完全，工艺2逐步提高升华干燥温度来观察产品是否出现塌陷萎缩，升华干燥压力比工艺1的压力更高。
为了缩减退火工艺的时间，工艺2取消第二次回温到-45℃，在-20℃退火完成后就直接进行升华干燥。
   

• 实验结果

 
冻干周期90小时，板层温度设为0°C，产品温度未超过-15°C，升华干燥温度可以继续提升;
水分<1%;
产品Tg：110°C，如水分不超过>3.0%以上的话，产品储存过程中是不会萎缩的;
外观：良好。
 

• 工艺 3

工艺2升华干燥，板层温度设为0°C，产品温度未超过-15°C，升华干燥温度可以继续提升，工艺3升华干燥板层温度设为5°C，压力与工艺2保持相同。
 
由于项目方担心“过度干燥”的问题，缩短了解析干燥保持时间。
   

• 实验结果

 
1.冻干周期70小时，根据冻干曲线可知，升华干燥中后期产品温度已经接近板层温度5°C，这些时间是多余的，可以优化;
2.冻干后对activity进行检测，与工艺2的样品没有区别;
3.水分~1%;
4.产品Tg：83°C，如水分不超过>3.0%以上的话，产品储存过程中是不会萎缩的;
5.外观：良好。
   

• 工艺 4

根据工艺3可知，升华干燥保持时间是由多余的，需对其进行优化，根据模型对升华干燥进行计算，缩短了升华干燥时间。
   

• 实验结果

 
1.冻干周期56小时;
2.冻干后对activity进行检测，与工艺2/工艺3的样品没有区别;
3.水分0.2%;
4.产品Tg：115°C，如水分不超过>3.0%以上的话，产品储存过程中是不会萎缩的。
5.外观：良好。
   

• 样品的DVS分析

对工艺4样品进行了DVS分析，对样品进行两次DVS循环。
 
第一次DVS循环后，样品重量没有恢复到原来的，表明样品形成了水合物。
第二次DVS循环时水的吸收是可逆的。
 

• 实验结果

图1：第一次DVS循环吸湿，样品在0.01%水蒸汽分压之下。
   
图2：第一次DVS循环吸湿，样品在59.14%水蒸汽分压之下，存在一定程度的萎缩。
   
图3：第一次DVS循环吸湿，样品在95.17%水蒸气分压之下，有点液化。
  图4：第一次DVS循环解吸，样品在0.01%水蒸气分压之下，失水样品进一步的萎缩。
   
图5：第二次DVS循环吸湿，样品在94.97%水蒸气分压之下，样品扩张
   
图6：第二次DVS循环解吸，样品在0.01%水蒸气分压之下，样品萎缩。
   
实验结果汇总
根据稳定性考察结果，胶塞并不是影响产品储存过程中萎缩的主要原因。胶塞处理工艺不需要变更。
根据冻干工艺开发结果，确定了工艺4为目标冻干工艺参数，接下来对工艺放大/转移，证明了当前工艺完全可以生产合格的产品。
DVS结果可知，产品在高湿度条件下会吸湿萎缩，这也就是该产品在存放过程中高水分产品会萎缩的主要原因。而且该产品吸湿会与水结合形成水合物，则证明需要将产品水分控制在较低水平下，当前冻干工艺可以保证。
 
文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室