一、引言

冻干技术在药学研发中具有重要地位，尤其是在生物制品、蛋白质药物和疫苗的制备与保存中。冻干保护剂的选择对于维持药物的稳定性和活性至关重要。

 

二、冻干保护剂的分类

（一）按化学性质分类

1.糖类保护剂

•  蔗糖：广泛应用于冻干过程中，能够形成稳定的玻璃态，减少冰晶对蛋白质结构的破坏。

•  海藻糖：具有较高的玻璃化转变温度（Tg），能够有效保护生物活性物质。

•  乳糖：保护效果与蔗糖相近，但部分患者对其耐受性较差。

•  甘露醇：保护效果较差，粒子易聚集。

2.氨基酸类保护剂

•  组氨酸：能够调节冻干过程中的pH值，减少酸碱变化对生物活性物质的影响。

•  精氨酸：通过与蛋白质结合，形成稳定的复合物，减少变性。

3.聚合物类保护剂

•  聚乙二醇（PEG）：能够在生物活性物质表面形成保护膜，减少水分和氧气的接触。

•  羟乙基纤维素（HEC）：提供物理支撑，减少冰晶对生物活性物质的损伤。

4.其他保护剂

•  甘油：小分子保护剂，能够提高药物的溶解性。

•  山梨醇：通过物理屏障减少水分和氧气的接触。

（二）按渗透性分类

1.渗透性保护剂

•  甘油：能够渗透细胞膜，保护细胞内部结构。

•  乙二醇：通过渗透作用减少冰晶的形成。

2.半渗透性保护剂

•  蔗糖：部分能够渗透细胞膜，形成稳定的玻璃态。

•  海藻糖：具有较高的玻璃化转变温度，能够有效保护生物活性物质。

3.非渗透性保护剂

•  PEG：在细胞表面形成保护膜，减少水分和氧气的接触。

•  HEC：提供物理支撑，减少冰晶对生物活性物质的损伤。

 

三、冻干保护剂的作用机制

（一）玻璃化转变

保护剂在干燥过程中形成玻璃态，能够减少水分对蛋白质等生物活性物质的破坏。玻璃化转变温度（Tg）是保护剂的重要参数，较高的Tg能够更好地保护生物活性物质。

（二）水替代作用

保护剂能够替代水分子与生物活性物质结合，维持其结构稳定性。例如，糖类保护剂通过水替代作用减少冰晶对蛋白质结构的破坏。

（三）降低冰晶损伤

保护剂能够降低冰晶的形成，减少冰晶对细胞和蛋白质结构的破坏。例如，海藻糖和蔗糖能够有效减少冰晶的形成。

（四）缓冲作用

氨基酸类保护剂能够调节冻干过程中的pH值，减少酸碱变化对生物活性物质的影响。

 

四、冻干保护剂的应用案例

（一）卡巴他赛纳米脂质体冻干保护剂的选择

在卡巴他赛纳米脂质体冻干工艺的研究中，研究人员对比了多种冻干保护剂的效果。实验结果表明，甘露醇作为冻干保护剂时保护效果较差，粒径易聚集；乳糖的保护效果与蔗糖相近，但部分患者对乳糖耐受性较差；海藻糖的保护效果较好，但价格较高。最终，研究人员选择了蔗糖作为冻干保护剂，以冻干产品的外观、水分含量、复溶再分散时间为评价指标，优化了蔗糖与磷脂的质量比。

（二）重组人干扰素β冻干保护剂的选择

在关于重组人干扰素β的冻干研究中，研究人员发现添加PEG能够显著提高产品的稳定性。实验结果表明，PEG能够在干扰素β表面形成保护膜，减少水分和氧气的接触，从而提高产品的稳定性。

（三）乳酸脱氢酶冻干保护剂的选择

在关于乳酸脱氢酶（LDH）的冻干研究中，研究人员发现添加组氨酸能够显著提高LDH的稳定性。实验结果表明，组氨酸能够调节冻干过程中的pH值，减少酸碱变化对LDH的影响。

 

五、数据分析

（一）保护剂对冻干产品稳定性的影响

在考察不同冻干保护剂对产品稳定性的影响过程中，我们评估了不同保护剂对冻干产品水分含量、复溶时间以及稳定性影响。实验结果如下表所示：

从表中可以看出，海藻糖和蔗糖作为冻干保护剂时，冻干产品的水分含量较低，复溶时间较短，稳定性较高。

（二）保护剂对冻干产品活性的影响

在冻干保护剂对冻干产品活性的影响研究中，我们评估了不同保护剂对冻干产品活性保留率的影响。实验结果如下表所示：

从表中可以看出，海藻糖和蔗糖作为冻干保护剂时，冻干产品的活性保留率较高。

保护剂类型	活性保留率（%）
无保护剂	50
蔗糖	85
海藻糖	90
乳糖	80
甘露醇	65

 

保护剂浓度对冻干效果有显著影响。以蔗糖为例，在蛋白质药物冻干中，2%-5%的蔗糖浓度能够提供最佳保护效果，浓度过高或过低都会降低蛋白质稳定性。冻干工艺参数，如预冻温度、主干燥温度和真空度，也需要与保护剂特性相匹配。例如，对于含有海藻糖的制剂，较慢的预冻速率（1℃/min）能够促进玻璃态的形成，提高保护效果。

 

六、冻干保护剂的选择策略

（一）药物性质

1.稳定性：对于对湿热敏感的药物，应优先选择海藻糖、蔗糖等糖类保护剂。

2.溶解性：对于溶解性差的药物，可以考虑添加甘油等小分子保护剂，以提高其溶解性。

（二）保护剂的特性

1.玻璃化转变温度（Tg）：保护剂的Tg应高于冻干过程中的温度，以确保其在干燥过程中形成稳定的玻璃态。

2.相容性：保护剂应与药物具有良好的相容性，避免发生化学反应。

（三）成本与可用性

1.成本：海藻糖等保护剂虽然保护效果好，但成本较高。在成本敏感的情况下，可以考虑使用蔗糖等较为经济的保护剂。

2.可用性：选择市场上易于获取的保护剂，以确保生产的连续性。

以新冠疫苗的冻干制剂为例，研究人员比较了不同保护剂组合对疫苗稳定性的影响。实验数据显示，含有海藻糖和蔗糖的保护剂组合在4℃下储存6个月后，疫苗效价仍保持在95%以上，而对照组则下降了约30%。在蛋白质药物冻干方面，一项研究比较了不同浓度的甘露醇和蔗糖对单克隆抗体稳定性的影响。结果表明，5%甘露醇和2%蔗糖的组合能够最大限度地减少蛋白质聚集，保持药物活性。

在益生菌冻干制剂的研究中，研究人员发现海藻糖和脱脂奶粉的组合能够显著提高乳酸菌的存活率。实验数据显示，使用该保护剂组合后，冻干过程中菌株存活率从60%提高到85%以上。在食品冻干方面，一项关于草莓冻干的研究表明，添加1%的麦芽糊精和0.5%的抗坏血酸能够有效保持草莓的色泽和营养成分，维生素C保留率达到90%以上。

保护剂组合的协同效应是另一个重要因素。研究表明，糖类和多元醇的组合往往比单一保护剂效果更好。例如，海藻糖和甘油的组合能够同时发挥糖类的玻璃态形成能力和多元醇的渗透保护作用，显著提高冻干产品的稳定性。此外，表面活性剂与聚合物的组合可以有效防止蛋白质聚集，提高药物的溶解性和生物利用度。

 

七、未来发展方向

（一）新型保护剂的开发

随着生物技术的发展，新型保护剂的开发将成为未来的研究热点。例如，基于纳米技术的保护剂能够提供更好的保护效果，减少冰晶对生物活性物质的损伤。

（二）个性化保护剂的设计

未来，保护剂的设计将更加个性化，根据具体的药物性质和应用场景，设计出最适合的保护剂配方。

（三）智能化冻干工艺

智能化冻干工艺将通过实时监测和控制，优化冻干过程，提高产品质量和生产效率。

 

八、结论

冻干保护剂的选择对于维持药物的稳定性和活性至关重要。糖类、氨基酸类、聚合物类等保护剂通过不同的机制发挥作用，提高冻干产品的稳定性。在选择冻干保护剂时，应综合考虑药物的性质、保护剂的特性、成本与可用性等因素。

冻干保护剂在保证冻干产品质量和稳定性方面发挥着关键作用。通过合理选择和优化保护剂种类、浓度和组合，可以显著提高冻干产品的性能。未来，随着新型保护剂的开发和冻干工艺的改进，冻干技术将在更广泛的领域得到应用。

 

参考文献

 

1. 张明华, 李静怡.冻干保护剂在生物制药中的应用进展[J]. 药物生物技术, 2022, 29(3): 245-252.

 

2.Wang, L., Chen, X., & Zhang, Y. (2021). Novel cryoprotectants for freeze-drying of proteins: A comprehensive review. Journal of Pharmaceutical Sciences, 110(5), 1897-1915.

 

3.Smith, J. R., & Johnson, M. L. (2020). Optimization of lyoprotectant formulations for probiotic freeze-drying: A case study of Lactobacillus acidophilus. Food Research International, 137, 109643.

 

4.陈光明,王红梅. 冻干保护剂在食品工业中的应用及发展趋势[J]. 食品科学, 2023, 44(2): 312-320.

 

5.Brown, A. K., & Davis, R. T. (2023). Advanced techniques in freeze-drying process optimization: Integrating AI and machine learning. Drying Technology, 37(15), 2023.

 

 

来源：药事纵横

关键词： 冻干保护剂