冻干产品质量问题分析──产品外观
[原文来自：www.pp00.com]
什么样的冻干产品外观是被接受的？这是一个经常被关注的问题。为了寻求答案，我们找到了“Lyophilized Drug Product Cake Appearance:What Is Acceptable?”一文，并结合了自己的理解做了翻译和解读。
参考文章内容主要如下：
1. 介绍了一些产品外观不理想的现象（图像）
2. 对产生原因及可能会对其他质量参数造成的影响进行了分析，给出了是否可以接受的建议
另外，文章中还依据风险评估的方式，对制定冻干品外观是否可接受的标准进行了讨论，这部分内容我们将在下一篇微信文章中进行研究。
冻干产品理想的外观是一个完整的饼状结构，有相同的大小和形状，有均匀的形状和质地，不存在明显的批间和批内差异。并通常被描述为：均匀而优雅（Uniform and Elegant）。
在冻干药品的设计和开发过程中，追求均匀而优雅的外观是一个重要目标。产品外观是冷冻干燥产品的一个重要属性，对于产品质量（安全性和有效性）来说，这可能是关键的，也可能不是关键的。因为有时候，不太理想的产品外观对产品质量并没有影响，是产品的固有特性（与配方、剂型及冻干工艺有关）。
这里也有一些词用来描述不理想产品的外观，如不符合或缺陷（Non-Conformity or Defect），不规则/不均匀的粉饼外观（Irregularities/Non-Uniform Cake Appearance）。但是监管机构关于冻干产品外观不理想的唯一公开信息在FDA发布的冻干检查指南“Inspection Guides - Lyophilization of Parenteral (7/93) ”中做了描述，翻译如下：
成品检查-回熔（Meltback）：美国药典指出，非经肠道用药进行100%的外观检查符合生产质量管理规范的要求。它包括对无菌粉末的目前，关键方面包括粉饼的体积和粉饼的外观。而关于粉饼的外观，主要问题是回熔。
回熔是干饼损坏的表现，其原因是发生了由固态向液态的转化，即冻干过程中升华（固态向气态）不完全。与之相关的问题是药物物理形态的变化及形成湿块的风险，它将导致产品不稳定性的增加和降解的加快。
另一个可能出现的问题是溶解度变差。在给病人输液时，由于输液器上通常装有一个过滤器，如果药物溶解不完全，溶解时间的延长可导致药效的部分丧失。
药厂应该了解这部分回熔或完全回熔冻干产品的稳定性情况。文献表明，一些冻干产品，如头孢菌素类抗生素，其晶状体的稳定性优于无定形体，在干饼的回熔部分可能存在无定形体，那里的升华是不完全的。
参考文献作者指出以上陈述具有误导性，而且指标过于宽泛不够具体，其中最有力一点反驳理由就是，评判是否是关键质量属性（CQA）的指标是对患者是否是安全有效的，而有一些产品虽然外观不太理想，但是并不会影响产品的安全有效（并举出了一些文献案例）。因此作者建议根据目前对于冻干产品和工艺的理解对指南（产品外观的可接受标准）做出修订。
通常，非理想的外观往往预示着产品的处方、冻干工艺、容器密封性，灌装体积等其中某项或全部出现了问题。这是在评估非理想蛋糕外观的可接受性时需要解决的第一个问题。然而，需要明确的是非理想的粉饼外观仅仅是冷冻干燥物理学的结果，它不容易被解决，但是它可能对产品质量没有影响。说了这么多的“非理想”（non-ideal），本节就介绍了冷冻干燥粉饼最常见的非理想情况，并给出是否可以接受的建议。
（一）粉饼塌陷（collapsed cake）
1.冻干过程中的塌陷
现象：
图1塌陷产品照片（从左至右：完全塌陷，部分塌陷，未塌陷）
原因：产品在干燥过程中超过了临界温度，有可能是一次干燥过程中最大浓缩溶液的玻璃化转变温度Tg或者塌陷温度Tc，也有可能是二次干燥过程中超过了已干品的玻璃化转变温度Tg，导致了粘性流动和微观结构的损失，造成产品融化。
结果：除了失去完整饼状外观以外，塌陷还会导致固体表面积（SSA）降低，通常情况下，SSA降低会导致：1.残余水分升高，2.药物（例如蛋白质）暴露于界面的可能性降低，3.最近发现，SSA低的冻干品（如控制成核冷冻）可能会使复溶时间缩短。
2.稳定性存储过程中塌陷
现象：下图是一张以蔗糖为保护剂的药物在存储过程中逐渐塌陷的产品照片。
图2储存期内塌陷
原因：有两种可能，第一个原因是产品残余水分本来就高，而存储温度接近于已干粉末的玻璃化转变温度，第二个原因在上篇微信文章（胶塞对稳定期水分的影响）中提到的，可能是胶塞水分迁移到了药粉中。
建议：作为处方和工艺开发的一部分，应区分外观缺陷的塌陷和可能导致患者安全问题的塌陷，特别是药品稳定性受到塌陷影响时。在冻干工艺开发过程中有意制造塌陷的产品，而且与正常产品进行同步稳定性实验，以确定塌陷是否就是CQA。另外，有可能在目检过程中无法发现产品内部局部塌陷，但是有了稳定性数据后可以说明该产品对患者是否有不利影响。
（二）回熔（meltback）
现象：
图3回融：可能是粉饼塌陷的一种形式
原因分析：回熔和塌陷很接近，两者都可以是在干燥过程中从液体蒸发而不是升华造成的。（笔者理解参考文献作者把这两种现象分开的依据可能是塌陷更倾向于微观的，萎缩程度较轻，而回熔是宏观的，萎缩程度严重，并且另一个理解是，冻干检查指南里的回熔应该包含这里的塌陷和回熔，泛指所有的粉饼萎缩。）如果在批内或批间不稳定的观察到回融，则应该检查冷冻干燥器负载。另一个原因是小瓶与隔板接触不良，导致一次干燥没有将结晶水完全除去而造成的融化。
（三）产品喷出（Product Ejection）
现象：
分析：产品喷出是指干燥或者部分干燥的粉末在一次干燥过程中被吹出小瓶，这可能是一次干燥过程中的融化，或者是冻干粉饼的粘合度不够，无法承受从升华时气体从粉饼中升脱离时带来的牵引力。在含有有机溶剂的配方中，产品喷出更为常见，如叔丁醇和乙醇。以及低固形物含量的配方，这样会导致粉饼粘合性非常差。
产品喷出一般是固形物出现在西林瓶瓶肩至瓶颈处，它应该被认为是一种严重的缺陷，因为这种固形物也可能出现在胶塞和西林瓶口之间而影响产品密封性，从而进一步影响其无菌性保证以及有效剂量，进而危及病人。
（四）冻干粉末出现在西林瓶和胶塞之间（Dried Product Between Vial and Stopper）
现象：
分析：这可能是灌装时液滴残留在瓶颈处靠近胶塞的地方，然后随着冻干进行变成了粉末，这种产品也应该被认为是不可接受的，理由与上述产品喷溅理由一致。
（五）粉饼倾斜（Slanted Cake）
现象：
分析：粉饼倾斜是因为药物没有竖直放在隔板上，而以一定角度倾斜，这可能是西林瓶装载到隔板上时出现的问题。一般来说，粉饼倾斜的冻干品是不被接受的，因为这一瓶产品的干燥条件与其他瓶不一样，可能会导致更高的残余水分，从而影响产品的稳定性和活性。
（六）鼓泡（Puffing）
现象：
这种鼓起的小泡通常出现在产品的表面，原因可能是少量产品塌陷过超过共熔点造成的，其过程可能是这样的：首先配液过程中，液体里含有大量气体，也有可能饱和，随着冻结的进行，溶质会浓缩，浓缩物里也含有气泡，在一次干燥过程中，溶质温度超过塌陷温度或者共熔点，造成产品熔化成液体，然后气泡聚合膨胀，移动到粉饼表面，有的会破裂有的不会。如果气泡足够稳定，经得起一次干燥，这些气泡残余将留在产品中。原文作者还没有看到有文献研究这一现象。然而，鼓泡的产品不一定意味着必须被丢弃，如果一个批次中只出现几瓶，那么应该被丢弃，如果一个批次内几乎所有小瓶都出现鼓泡，并且对CQAs没有影响，那么鼓泡很可能是处方和干燥过程的一个特征，应该可以接受。
（七）粉饼升起（Lifted Cake）
现象：
分析：粉饼有时在冷冻干燥过程中在小瓶中向上迁移。在这样的产品中，从冻干机中取出后，可以在小瓶的底部看到一些与滤饼分离的固体。如冷冻干燥后立即观察到粉饼是完整的，仅从小瓶的底部升起。这种提升过程似乎都在一次干燥过程中发生。据作者所知，该过程的物理原因还没有被研究过。然而，合理的解释可能是粉饼与小瓶的内壁略微分离，然后相对于流过部分干燥的粉饼，小室的内壁提供了用于逃逸水蒸气的低阻力路径。粉饼和小瓶壁之间的水蒸气流对粉饼施加阻力，导致滤饼从小瓶的底部上升。通常，初级干燥后粉饼会沉到底部，但并非总是如此。如果粉饼质量较轻，这种现象会更加严重。
升起的粉饼是否会导致部分小瓶或批次不被接受还不一定。如果粉饼升起导致产品靠近塞子，则必须假设容器密封完整性受损并且应该拒绝这些产品。而且，如果在临使用前，粉饼依然靠近塞子，则会影响到粉饼的复溶，因此，应该拒绝这些产品。从过程控制的观点来看，在一次干燥过程中粉饼升起会降低粉饼与热源（加热隔板）之间的热传导，这会延长一次干燥时间并使粉饼的最终含水量不确定。然而，粉饼升起的影响可以通过其他产品质量检测指标容易地验证，并且如果对残留水分或任何其他CQA没有影响，则不一定拒绝具有粉饼升起的产品。另一方面，如果残留水分（或任何其他潜在的质量属性）受到负面影响，则必须拒绝粉饼升起的产品。当然，如果可能的话，粉饼升起的现象需要在开发过程中解决，因为粉饼升起的现象表明该过程未得到充分控制。
一、冷冻干燥产品的视觉属性
1
粉饼收缩和开裂
现象：粉饼收缩，如图1所示粉饼体积缩小明显，从西林瓶壁上和底部脱离，翻转西林瓶，粉饼可以轻易晃动。
图1：粉饼收缩：这种收缩和塌陷无关
图2：粉饼开裂
原因分析：少数粉饼收缩可能是塌陷的一个表现，但是大多数粉饼收缩和塌陷无关。以往研究观点认为，粉饼收缩和粉饼开裂都是基于同一物理学原理：粉饼收缩是由于冷冻过程中有一定量的非结晶水在无定形溶质体系中，当这一部分水被除去，就会造成粉饼体积的收缩或开裂，这个取决于粉饼基质与西林瓶内壁的粘附程度：粘附程度小，则体现为收缩，粘附程度大则体现为开裂。
建议：对于研究人员来说，重要的是要确保粉饼收缩与塌陷无关。这可以通过在一系列下的试验来验证，如溶液和冻干成品的热分析，在线过程分析技术方法或离线表征方法，这些都可以帮助区分粉饼是由于意外的塌陷或不可避免的收缩。
粉饼的收缩和破碎都不应被视为缺陷，因为这两种属性都是物理特性，只与粉饼的机械性能有关，取决于处方和容器，因此对产品的CQA有任何影响。
2
粉末，碎屑和破碎的粉饼
现象：
图3：喷粉：瓶壁上的细粉
图4：碎块：粉饼的小碎片
图5：碎粉饼：粉饼碎成碎片
原因分析：如果刚生产的药物外观是好的，那么粉尘，碎屑，碎块主要是运输过程中的振动产生的。
建议：由运输引起的粉饼粉尘，碎屑和碎块对关键质量属性CQA（如：不溶性微粒）没有影响，是可以接受的。
3
起雾
现象：
图6：起雾
原因分析：雾化是小瓶内产生了产品薄膜，人们常错误的认为是灌装过程中或者转运过程中溶液的搅动产生的。另外一种观点认为是，起雾是由于马戈兰尼效应产生的，这种效应可以描述为表面张力梯度驱动液体流动，葡萄酒在玻璃杯内的上升就是马戈兰尼效应常见的例子。在含有表面活性剂组分的制剂溶液中经常会见到起雾。气液界面的表面张力造成了这种起雾的驱动力。
但是在一个研究中用实验验证了这种驱动力也有可能来自于固液界面驱动力。
起雾可能仅仅是外观缺陷，除非起雾的程度很大，将溶液带到了小瓶颈部，影响了胶塞与西林瓶的密封性。所以起雾程度或高度是排除不合格成品的指标。
4
起皮
现象：皮或壳通常是在粉饼表面薄且致密的固体层。
图7：起皮的形成：冻干粉饼表面的皮
原因分析：目前还没有看到系统研究起皮现象发生的文献，但是对药液冻结过程现象的观察可能可以解释其原因：在溶液过冷后，形成晶核，药液变成半透明，接着从底部到顶部逐渐变得不透明，由于冰晶的生长，逐渐将溶质推到顶部，在顶部形成一层冷冻浓缩物，在干燥过程中形成皮或壳。粉饼表面的皮壳不会显著影响干燥的进行，因为这些皮本身都有很多孔道或者比较机械性脆弱，并不能阻碍水蒸气的流动。
建议：尽管造成皮形成的处方和工艺因素尚不清楚，但作者的经验是，一层皮或不会对产品的关键质量属性CQA产生影响。但是，应该注意这种效应，特别是如果基质中可能发生相分离（例如，在大分子稳定剂存在下）。如果起皮只是一个外观问题，那么最可能受影响的属性是复溶时限。只要起皮现象不影响其他质量属性，就不应将其视为缺陷。
5
冻干环或晕圈
现象：
图8：冻干环
图9：有轻微的飞溅(在小瓶壁上)
图10：主要的飞溅(也可能是雾，或者两者兼而有之)
原因分析：冻干环或晕圈不同于上面提到的起雾，主要是由于灌装过程中的飞溅，或者是装入冻干机之前的晃动造成的。处方性质，例如表面张力和粘度，决定了溶液是否保留在小瓶的颈部或通过重力落回到溶液中。如果溶液保留在颈部，然后在相同的相对位置冷冻干燥，则表现为冻干环。而如果溶液滴在瓶壁上，又逐渐回落到药液中，则干燥产品的条纹将出现在样品瓶的壁上形成晕圈。
建议：通常，小瓶内壁上的冻干环或轻微飞溅对CQA没有影响（只要它不出现在瓶口和塞子之间），因此具有冻干环或轻微飞溅（图8）的产品是可以接受的。然而，严重的飞溅（也可能是雾化，或两者兼而有之；图9）说明灌装过程控制不佳，因此，即使可能对CQA没有影响，也需要解决。
6
泡沫
现象：“泡沫”是指不具有平坦纹理的不均匀的粉饼。
图11：泡沫或泡沫形成
原因分析：很可能是填充过程中填充速度过快，把空气中的气体带到了溶液中，在溶液表面形成气泡，再加上制剂的粘度和表面张力，这些气泡不会消散，冷冻干燥过后气泡留在了粉饼表面。
建议：通常，泡沫或泡沫对CQA没有影响，因此具有泡沫的产品是可接受的。
7
表面突起
现象：
图12：突起
原因分析：在冷冻过程中，过冷度和凝固方法（从下到上与横向冷冻）会影响冰晶形态，从而影响粉饼外观。这种“突起”的形成可能是由于横向冷冻引起的冷冻基质的膨胀。如果配方基质粘附在西林壁的内部，不能通过沿壁滑动而产生纵向膨胀。剩下的唯一选择就是横向膨胀，最后在小瓶中间形成突起。
建议：通常，CQA不受产品中突起存在的影响，因此具有火山的产品是可接受的。
8
粉饼变色
现象：
图13：非均匀粉饼颜色
原因分析：理想的冻干产品应地呈现均匀的粉饼颜色（通常为白色至灰白色）。然而，在某些情况下，可以观察到有色粉饼，例如，在有色活性药物成分的情况下。作者没有看到有文献系统研究不均匀的颜色对产品质量的影响。意冷冻浓缩和结晶等影响可能导致干燥粉饼的不同部分颜色略有不同，这可能是由于药物溶质的分布不均匀，结晶程度不同或多晶型药物的结晶晶型不同造成的。
建议：文献作者的意见，应收集足够的产品质量数据，以支持不均匀颜色的可接受性，以便将其归类为外观问题还是质量问题。冷冻干燥后或储存期间的颜色变化需要认真考虑，因为它可能归因于美拉德反应（例如，蔗糖，麦芽糖，乳糖），蛋白质的氧化（例如，与色氨酸相关），或者可以影响CQA的赋形剂（例如组氨酸）的氧化，如果是以上原因导致的，可以保证拒绝这种产品。
二、什么粉饼外观是可以接受的？
针对什么样的外观是可以接受的问题，文献作者推荐了一个科学评估的方法，当面对一个产品外观时，首先需要考虑以下问题：
1．粉饼外观是否影响CQA（即患者安全性和产品功效）？
2．粉饼外观是否一致，至少在一系列外观，批次内和不同批次之间？
3．从销售角度（即商业考虑），粉饼外观是否可以作为商业产品接受？
下面有一个决策树，来进行总结：
三、总结
争取均匀和优雅的粉饼外观可能会导致更高的成本，并且可能延迟药物上市，这些药物可能是为危及生命和严重衰弱的疾病提供治疗的药物。此外，尽管不会对CQA产生影响，但仅仅根据粉饼外观丢弃很多，会导致浪费，这些药物本来可用于治疗患者。
使冻干药品外观优雅不应成为药品制造商的主要关注点或期望，他们的关注点应该是使药品更便宜，更安全和有效。本文所提出的讨论绝不是扩大产品质量规范的论据，而是对评判产品外观接受或拒绝应基于科学，而不是基于推测和惯例的请求。
将时间投入处方和工艺开发中，控制可能影响粉饼外观的处方和工艺参数确实很有价值。一般而言，新的粉饼外观在被归类为可接受或拒绝之前应当进行风险评估和产品质量测试，基于数据和事实、对工艺过程理解来的制定评判标准，而不是基于情感，美学和信仰。
因此，冷冻干燥领域的科学进步需要改变思维方式，特别是粉饼外观：“不均匀并不总是意味着质量差。”药品制造商，卫生当局，医疗服务提供者和患者都应该改变思维，应该接受可接受的产品--安全性和有效性的产品，但不是理想外观的产品，即“美丽在于旁观者的眼睛”-- “beauty lies in the eyes of the beholder”。
本文图片及内容来自于：
Patel S M, Nail S L, Pikal M J, et al. Lyophilized Drug Product Cake Appearance: What Is Acceptable?[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2017.