+7 (495) 662-99-85 Обсудить проект
СТРУКТУРА

Лиофилизированный: поры — следы льда, размер — от заморозки

Сухой лиофилизат — это отпечаток собственной заморозки. На срезе «пирога» видно не случайную пену, а негатив льда, который вырос в этом флаконе: каждая пора стоит там, где стоял кристалл, и повторяет его форму. Сушка эту форму не придумывает — она убирает лёд, который форму уже задал. А задаёт её не «скорость заморозки» вообще, а величина поуже и поточнее: температура, при которой в переохлаждённом растворе возник первый кристалл. В одной партии она почти никогда не совпадает от флакона к флакону — отсюда и берётся разная структура у одинаково сделанных флаконов.

Расколотый надвое цилиндрический брусок белого сухого вещества на матовой стали: в обеих плоскостях разлома видны поры разного размера, у основания — крошки

Поры — то, что осталось от льда

В 2024 году коллагеновую суспензию заморозили, запуская появление льда ультразвуком в нужный момент: так температуру зарождения задавали, а не получали случайно. Ультразвук срабатывал на четырёх уровнях — −1,7, −3,8, −5,8 и −10,1 °C, — после чего сухие каркасы смотрели на микро-КТ и в электронном микроскопе. Зависимость вышла односторонней: чем ниже температура зарождения, тем мельче поры и тем уже разброс их размера. Выше −4 °C структура получалась грубой и пластинчатой, вытянутой в одном направлении; ниже −6 °C — мелкой и примерно одинаковой во все стороны.

Снимки сканирующего электронного микроскопа: коллагеновые каркасы после сушки при четырёх температурах зарождения льда — сверху грубые вытянутые пластины, внизу мелкие ровные поры
Коллагеновые каркасы после сушки под электронным микроскопом, срез по центру образца. Сверху вниз — лёд зародился при 0…−1, −3…−4, −6…−7 и −10…−11 °C; слева зарождение случайное, справа запущено ультразвуком. Масштабная линейка — 1 мм.
Источник: Song X. et al., Polymers, 2024, doi:10.3390/polym16020213, рис. 6. Лицензия CC BY 4.0. Показаны коллагеновые каркасы при случайном и ультразвуковом зарождении льда; оставлены только снимки СЭМ, подписи переведены, кадр обрезан.

На эту геометрию сушка уже не влияет: она удаляет лёд, а пустоты остаются такими, какими их оставил лёд. Как устроен сам цикл — заморозка, сублимация, досушка — разобрано в статье «Как работает лиофилизация».

Один и тот же режим — разные флаконы

Температуру зарождения не выставляют на панели. Раствор переохлаждается на несколько градусов ниже точки замерзания и ждёт, пока где-нибудь в объёме не появится первая устойчивая частица льда, и момент этот случаен. В той же работе его измерили на выборке: у 54 образцов одной и той же коллагеновой суспензии при одинаковых условиях средняя температура зарождения составила −5,2 °C, а разброс по выборке — 13,7 градуса.

На фармацевтическом растворе картина та же. В работе 2011 года пятипроцентный маннитол, охлаждаемый до −40 °C, зарождал лёд произвольно в промежутке от −8,0 до −15,9 °C; с принудительным зарождением тот же раствор укладывался в −2,3…−3,7 °C. Приём, которым это делают, описан ещё в 2004-м: в камеру подают холодный азот, он даёт «ледяной туман», и зарождение попадает в заданную точку с точностью около градуса.

Отсюда вывод, неудобный для привычного объяснения: разброс структуры внутри партии — не брак исполнения и не «плохая полка», а следствие того, что без специального приёма зарождение льда остаётся случайным процессом.

Отжиг: лёд укрупняют нарочно

Структуру можно переписать и после того, как лёд уже вырос. Для этого служит отжиг: замороженный продукт выдерживают при температуре чуть ниже точки плавления, и мелкие кристаллы срастаются в крупные. В 2022 году этот рост измерили напрямую: замороженный образец сушили под вакуумом прямо под микроскопом и считали площадь кристаллов на снимках. При −4 и −6 °C средняя площадь кристалла росла линейно всё время наблюдения и даже через восемь часов при −4 °C на плато так и не вышла. То есть отжиг — не щелчок переключателя, а рычаг с плавной шкалой: сколько выдержали, столько и укрупнили.

Серия снимков замороженного раствора сахарозы при отжиге: за 60, 120, 240 и 360 минут ячейки кристаллов льда становятся крупнее; во втором ряду те же кадры, кристаллы выделены белым
Замороженный 10-процентный раствор сахарозы при отжиге −6 °C, увеличение 50×: A — 60 минут выдержки, B — 120, C — 240, D — 360. Сверху снимки, снизу те же кадры, где кристаллы льда выделены белым, а матрица — чёрным. Это ещё раствор во льду, а не сухой продукт: видно, как кристаллы со временем укрупняются.
Источник: Kharatyan T. et al., Pharmaceutics, 2022, doi:10.3390/pharmaceutics14061176, рис. 4. Лицензия CC BY 4.0. Показан рост кристаллов льда при отжиге; подписи переведены, кадр приведён целиком.

В том же году другая группа довела эту логику до готового сухого продукта и сравнила по микро-КТ отожжённый образец с неотожжённым. Средний диаметр пор вырос с 23,7 до 33 мкм, доля пустот в объёме — с 0,87 до 0,96. Поток пара сквозь такую структуру оказался почти в полтора раза выше, и сушка в том опыте закончилась примерно на три часа раньше. А на томограммах неотожжённых образцов нашлись трещины, которых у отожжённого не было.

График распределения пор по размеру и две 3D-реконструкции по микро-КТ: у образца после отжига кривая сдвинута к крупным порам и шире, структура заметно рыхлее
Сухой мальтодекстрин по данным микро-КТ — это график и реконструкция, а не фотография. Вверху распределение пор по размеру: по горизонтали диаметр поры в мкм, по вертикали доля пор такого размера. MD5 — образец без отжига, MD5 AN — тот же состав после отжига: кривая ушла к крупным порам и стала шире. Внизу 3D-реконструкции кубиков со стороной 400 мкм: (b) — без отжига, (c) — после. Узкая светлая кривая MD30 — другой состав, с большей долей мальтодекстрина, в сравнение не входит.
Источник: Thomik M. et al., Pharmaceutics, 2022, doi:10.3390/pharmaceutics14081538, рис. 2. Лицензия CC BY 4.0. Показаны распределение размера пор и 3D-реконструкция по микро-КТ; панель (d) с составом MD30 убрана, подписи переведены, кадр обрезан.

Крупнее — быстрее, мельче — ровнее: чем платят за выбор

Поры — это путь, по которому пар уходит из флакона, поэтому их размер переводится прямо в скорость. В 2004 году эту связь замерили с одного конца: чем ниже температура зарождения, тем больше удельная поверхность льда, а чем больше поверхность, тем выше сопротивление, которое сухой слой оказывает потоку пара. В 2011-м — с другого: принудительное зарождение при более высокой температуре увеличило эффективный радиус пор в пятипроцентном маннитоле с 13 до 27 мкм, а циклы, пересчитанные по новым значениям сопротивления, дали 41 % сокращения времени первичной сушки.

Тонкая пластина белого пористого вещества на подсвеченной снизу поверхности: на торце видны вертикальные каналы, сквозь которые проходит свет
Поры — не рисунок на поверхности, а каналы сквозь всю толщину сухого слоя: по ним из флакона уходит пар.

Плата за выбор видна в тех же данных. Мелкие поры достаются низкой температурой зарождения, и вместе с ними идёт узкое распределение размера внутри образца — но высокое сопротивление и долгая сушка. Крупные поры достаются высокой температурой зарождения или отжигом — сушка быстрее, но распределение шире: отжиг в работе 2022 года поднял не только средний диаметр, но и его разброс, с ±11 до ±27 мкм. И отдельно стоит третье свойство, которое с крупностью пор не связано вовсе: одинаковость от флакона к флакону даёт управление самим зарождением, а не выбор «мельче или крупнее».

От чего ещё, помимо структуры пор, зависит длительность цикла, разобрано в статье «Сколько длится цикл лиофилизации».

Режим заморозки фиксируют в записи цикла

На производственной площадке эту структуру не измеряют микроскопом и томографом — так её изучают исследователи в опубликованных работах. С ней работают с другой стороны: режим заморозки задают под конкретный продукт и тару и вносят в производственную запись цикла, чтобы получившийся cake связывался с параметрами, которые можно повторить или поправить на следующем запуске. Коллаген, на котором получены измерения из первого раздела, — одно из направлений площадки: контрактная лиофилизация коллагена идёт в чистых помещениях ISO 7 и ISO 8, флаконы — форматов Ø 12–22 мм. Как ваш продукт отзовётся на выбранный режим заморозки, покажет пилотная партия без минимального объёма — от нескольких флаконов, прежде чем закладывать производственный тираж. Площадка работает с 2013 года, система менеджмента качества сертифицирована по ИСО 9001 и ИСО 13485, при необходимости работа идёт под NDA. Что та же структура значит для растворения сухого продукта водой — отдельная тема статьи «Как лиофилизат снова становится раствором». Сформулируйте, что для вашего продукта важнее — скорость цикла или одинаковость флаконов, и дальше разговор пойдёт о конкретном режиме заморозки, а не об общих цифрах из статьи.

Частые вопросы

Если поры — это просто пустоты, почему их размер важен?

Потому что это путь для пара. Крупные поры снижают сопротивление сухого слоя и ускоряют сублимацию; мелкие дают более узкое распределение размера внутри образца, но сохнут дольше. В измерениях 2011 года увеличение эффективного радиуса пор с 13 до 27 мкм позволило пересчитать цикл и сократить первичную сушку на 41 %.

Чем температура зарождения льда отличается от скорости заморозки?

Это разные величины. Скорость заморозки — то, как быстро понижается температура полки. Температура зарождения — точка, в которой в уже переохлаждённом растворе возник первый кристалл. Она зависит от случая и у соседних флаконов может различаться даже при одной и той же скорости охлаждения.

Можно ли одним режимом получить одинаковую структуру во всех флаконах партии?

Без управления зарождением — нет. В лабораторных выборках одинаковые внешние условия давали разброс температуры зарождения больше десяти градусов, а за ним шла и разная структура пор. Принудительное зарождение этот разброс сокращает: в опубликованных опытах оно удерживало точку зарождения в пределах примерно одного градуса.

Отжиг — это замена заморозке или дополнение к ней?

Дополнение. Отжиг идёт после того, как лёд уже зародился и вырос: продукт выдерживают чуть ниже точки плавления, и мелкие кристаллы срастаются в крупные. Рост при этом не ступенчатый, а плавный — в измерениях под микроскопом средняя площадь кристалла росла линейно и за восемь часов отжига при −4 °C не вышла на плато.

Скорость цикла или одинаковость флаконов?

От ответа зависит режим заморозки. Проверить его на вашем продукте можно на пилотной партии без минимального объёма — от нескольких флаконов, работа идёт под NDA.

Обсудить проект
Обсудить проект