冻干后残留水分含量测定分析

残留含水量

测定冻干药品的剩余水分含量是重要的，有几个原因。首先，剩余含水量的含量与配方在产品保质期内的稳定性有关。小分子制剂可以有由水触发的直接降解途径，而且所有最终产品都低于规定的剩余水分规格是至关重要的。一般来说，大分子制剂的降解途径更为复杂，水往往起着间接的作用。其次，对统计相关的样本集进行水分分析，可以深入了解冷冻干燥过程本身。残留水分测定可作为过程研究的工具，以确认为特定药物配方设计的特定冷冻干燥循环的效率、一致性和稳健性。典型的药物冷冻干燥循环通常针对剩余水分含量为1%到3%的范围。

对于具有由水触发的直接降解途径的小分子，这种方法是一种合适的策略。然而，在大型生物制药分子里，它可能会过度干燥。研究表明，即使在冻干状态下，蛋白质也依赖于少量的水来帮助维持高阶结构。其他类型的产品，如某些冻干的血浆配方，需要最少数量的水来实现有效的干热病毒灭活。因此，有时有必要设计一个冷冻干燥循环，使所有的产品小瓶保持在一定的湿度范围内，具有最小和最大的规格。

历史周期往往过于保守，这意味着最终的产品被过度干燥了，因为研究和开发并没有花时间来优化配方和冷冻干燥周期。虽然保守循环生产的产品符合质量参数。如果进行适当的研究，可以用更短的周期生产相同的产品质量。目前的科学方法使用各种工具来监测冻干过程和分析成品，其目标是在每个配方的基础上确定最佳的冷冻干燥周期。生成的数据表明，产品质量参数（如稳定性、外观、适当的重组和生物活性）在目标湿度范围内得到满足，并且在该湿度范围内生产产品的定义周期是稳健和一致的。

残余水分水量取决于循环和配方。集中在工艺方面，必须控制三个冻干阶段的终点：冷冻、一次干燥和二次干燥。关键的工艺参数是为每个阶段选择的温度和压力梯度。充分处理所有可能影响残余含水量的因素，超出了本文的范围。例如，有几种方法可以采取来优化冻结条件：退火，过冷，和控制成核。冻结过程中水结晶形成的细节对初级干燥过程中去除水分的升华工艺效率有影响。一般来说，应在冻结步骤中采取措施，以确保产品是完全冷冻的，那时冰晶体结构能更好的升华，而那完全的冻结是在尽可能高的温度下达到，以便节省时间和精力。配方参数对最终结果也有影响，确切的冰晶形成和最终饼状结构将取决于药物成分的类型以及配方中的缓冲液和潜在的各种产品浓度。所有这些配方参数都会影响由冷冻干燥循环最终获得的剩余水分含量。最后，第三个影响残余含水量的一般因素是设备和所使用的西林瓶配置。真空泵、冷凝器参数，和西林瓶的尺寸都应该是在实施冷冻干燥机时所考虑的问题对于特定的产品批量大小。最后，最终残余水分水量取决于循环、配方和设备参数的相互作用。这种相互作用推动了近年来高效的循环发展。对于给定的配方，优化干燥周期，制定对冷冻干燥的基础科学、配方特性和设备能力有着共同的理解，在成品的统计样本集中获得残余水分准确测量的能力将是有用的工具。

残留水分测定在制药行业中的传统的方法是卡尔·费休(KF)滴定和热重分析(TGA)。KF方法的应用最为广泛一般认为是测量冻干产品中的总水分，假设样品完全可溶于KF介质中。应当注意的是，残余水分含量可以以各种形式出现---游离的、吸附的、化学结合，水化壳层、结晶水。并非所有这些因素都与产品的活性或稳定性直接相关。KF方法耗时，需要操作人员的专业知识和仔细的样品处理，以避免环境湿度的污染，并且具有破坏性（这意味着样品在分析过程中被破坏）。与依赖化学反应来检测水的卡尔·费休不同，TGA测量了样品被加热时的重量损失，排出了剩余的水分。这种方法不仅测量水，还测量加热产生的任何其他挥发物。因此，必须充分了解冻干材料的组成，才能使用这种方法来准确地测量剩余的含水量。这种方法也可能受到环境湿度的影响，也是一种破坏性的方法。传统方法的破坏性是一个限制性，对冻干产品的稳定性和工艺研究有负面影响。

传统的方法来确定残留水分

 

在稳定性研究中，产品瓶的水分含量通常从同批产品中确定推断。原料药的降解不能与测量的残余水分直接相关，因为水分测定测量破坏了样品。由于样品间的差异，稳定性研究中的小瓶的水分含量可能与参考同批瓶不相同，因此，稳定性结果对于定义水分稳定性规范可能不精确。对于过程研究，传统的方法不利于用统计相关的样本集进行研究。该方法是资源密集型的，而样本分析的数量是有限的。此外，由于方法的破坏性，潜在有价值的产品被破坏。缺乏关于残留水分的统计相关数据测定意味着残留水分稳定性研究存在不精确的风险，并且对最终产品质量的工艺差异的影响了解很有限。作为一种快速的无损分析方法，顶空水分分析可以解决传统方法的局限性。

 

顶空水分分析

 

 

通过激光照射小瓶顶空，测量顶空水分，将激光调整到水分子的吸收波长，然后分析吸收信号，确定密封小瓶内的顶空水蒸气压。该测量是快速和无损的。测量可以在不到几秒钟的时间内完成，而且样品将保持完整。在一个冻干的小瓶内测量的顶空水蒸气水平与这些相同的产品（1）的KF测量值直接相关。顶空水蒸气的测量也与API（2）的降解直接相关，这意味着冻干产品的稳定性可以根据密封小瓶里的水蒸气压来定义。这种相关性并不令人惊讶，因为平衡的水蒸气分压实际上是密封产品内冻干材料的水活度。水活度是一种热力学性质，表明有多少游离水可与API（3）相互作用和潜在降解。顶空水分技术的快速无损性使许多用传统的残余水分测定方法难以、甚至不可能实现的应用成为可能。

 

顶空水分分析的应用

 

顶空水分分析的应用利用了直接分析统计相关样本集中所有产品的顶空水分含量的事实。事实上，甚至可以使用自动顶空水分检测机对一批商业冻干药品进行100%的顶空水分分析。图1显示了在中试冷冻干燥机（4）的货架上生产的冷冻产品的顶空水分水平。

 

图中每个产品中测量的水分水平，以托为单位，较深的颜色代表较高的水分值。通过跟踪产品在冻干腔架子上的位置，可以创建一个湿度图，清楚地显示在架子中间的一个湿度点。通过对开发中的试点批次进行100%的顶空水分分析，可以全面了解最终产品质量的差异，从而实现高效的循环开发和优化。图2显示了一个初始周期和一个后续优化周期的测量的顶空水分水平。最初的周期显示，顶空间的水分水平有显著的变化，而干燥似乎依赖于托盘。该分析提供的见解激发了周期的改变，而优化的周期能够生产瓶子之间顶空水分差异较小的产品批次，且没有依赖托盘位置进行干燥。顶空水分分析还确定了一些异常产品，这些瓶子即使在优化周期中也不能足够干燥。每个试验批的总分析时间为几个小时，且样品保持完整，这证明了顶空水分法的实用性。使用传统的方法将需要几天甚至几周的总分析时间，所有的产品都会被破坏。这些例子展示了如何使用顶空水分分析来表征冷冻干燥机的性能，优化冷冻干燥循环，并识别可能超出规格和干燥不良的冻干产品瓶。

 

实验所用仪器