冷冻干燥新技术

　　本书先后被列为上海市研究生重点教材和国家自然科学基金研究成果专著。 冷冻干燥是将富含水的物料，先冷却、冻结，然后在真空条件下，进行加热，实现升华干燥和解吸干燥，排除95％～99％的水分。冻干后的物料，经密封后，可以在室温或4℃下长期保存。冷冻干燥是药品、食品、微生物和细胞保藏的一种新兴的重要技术。 本书共17章，内容包括三个部分：冷冻干燥的理论与机理分析；冷冻干燥的技术和实施方法；药品、食品和生物体等的冷冻干燥技术。这三个部分各占约1／3篇幅。 本书可用作工程学科研究生和高年级本科生教材，也可供医学、药学和食品领域的科技人员和师生参阅。 前言 冷冻干燥是将富含水的物料，先冷却至其共晶点或玻璃化转变温度以下，使物料中的大部分水冻结成冰，其余的水分和物料成分形成非晶态（玻璃态）。然后，在真空条件下，对已冻结的物料进行低温下的加热，以使物料中的冰升华，实现升华干燥（一次干燥）。接着，在真空条件下对物料进行升温（如升至32'C），以除去吸附水，实现解吸干燥（二次干燥）。冻干后的物料，经密封后，可以在室温或4℃下长期保存。 冻干药品和食品的重要特征是：排除了95％～99％的水分，密封后能在室温下长期保存；质量很轻，便于运输和携带；由于干燥是在低温下进行的，因此物料的成分损失很少；蛋白质、细胞等热敏性物质不易变质或损伤；结构稳定，生物活性基本不变；食品能保持原有的色味，产品的等级和附加值高；冻干后的药物呈多孔状，复水性好、药效高。 近年来，人体细胞的冷冻干燥保存正在成为新的研究热点。此事既具重要意义及广阔的应用前景，又极具挑战性。若能实现活细胞的冻干，人们就可以将人体活细胞，像冻干的青霉素那样，封装在瓶内，在常温或冰箱内长期保存。这将会给临床医学带来重要的变革。科学家们从20世纪60年代起就对红细胞的冷冻干燥进行探索，但至今尚未取得突破性的进展。 20世纪90年代以来，由于生物药品的出现和发展，对冷冻干燥技术提出了许多新的近乎"苛刻"的要求，迫使其向"精致"且深入的方向发展。同时，80年代开始发展起来的"溶液玻璃化理论"和"食品聚合物科学"等也为冷冻干燥技术的发展提供了一些理论基础。本书讨论的就是20世纪90年代以后发展起来的"冷冻干燥新技术"。 本书著者在清华大学读本科和研究生阶段学习的专业是"热能工程"和"工程热物理"。1980～1983年赴美国麻省理工学院（MIT）任访问学者，研究细胞和组织的低温保存；990～1991年应邀赴美国，任纽约州立大学研究员，并兼任美国低温医学公司顾问，主要研究肿瘤的低温治疗技术。在此期间，我们在低温工程热物理与生物医学相结合的新兴交叉学科：低温生物医学科学方面，较系统地研究了有关理论和实施技术，并和医学、生物部门配合，成功地实现了许多重要细胞、组织的低温保存。1994年获中国科学院出版基金资助，由科学出版社出版了《低温生物医学技术》专著。 大约从1996年起，我们开始对药品和细胞的"冷冻干燥"产生兴趣。与"低温保存"相比，"冷冻干燥"的最大特点是可以在室温下长期保存，而且其质量可减轻90％以上。由于"冷冻干燥"的第一步就是"低温冷却冻结"，应当和"低温保存"具有相近的机理，所以我们自信，过去研究"低温保存"所积累的经验，将为"冷冻干燥"的研究提供良好基础。 从那时起，我们研究了一些蛋白质药物、脂质体药物和一些果蔬、食品的冷冻干燥，取得了一些成功。最近，我们在人脐带血有核细胞的冷冻干燥保存方面取得可喜的进展，更增强了我们研究细胞冷冻干燥的信心。 在进行关于冷冻干燥的研究中，我们得到了许多方面的大力支持。依靠上海市教育委员会重点学科和上海市重点学科（P0502，T0503）建设的经费，购置了最新的差示扫描量热仪、低温冷冻干燥机、自动小型液氮机等设备；在国家自然科学重点基金项目和面上项目的资助下，研制了低温冷冻干燥实验系统、低温显微系统、冷冻干燥显微系统，建立了较好的实验条件；上海东富龙公司赠送了有我们参与研制的最新的实验型冻干机；国内的一些医学院校、制药公司、上海组织工程中心、中国科学院细胞研究所等单位，提供了很好的研究课题和合作条件；国外的同行提供了最新的信息和进行了颇为有益的交流。 在研究中发现，只有好的设备，并不能保证能得到高质量的冻干产品。因为冷冻干燥的过程，会对冻干药品和食品的品质产生极大的影响。冷冻干燥的冷冻过程、升华干燥过程和解吸过程，均会对冻干产品的品质产生很大的影响。冷冻过程，主要与保护剂的种类与浓度、降温速率、玻璃化和反玻璃化等有关，而干燥过程与此前的冷冻过程有着密切联系。因此，上述因素都将对干燥过程有影响。同时，干燥过程还与加热温度、冷阱温度、冻干室的真空度等有关。在冷冻、升华干燥、解吸干燥等过程中，活体细胞和组织均可能遭到损伤。只有通过对这些过程的仔细分析和探索，冷冻干燥才可能取得明显的进展。对冷冻干燥过程的深入认识，对于冷冻干燥的成败是极其重要的。但是这些问题，目前尚未得到制药界、食品界和医学界的普遍和充分重视，在此方面的研究也只是刚开始。 4年前，我曾想写一本介绍冷冻干燥基础知识的书，并开始准备。2001年，上海市教育委员会将其列入"上海市研究生重点教材"的汁划。由于冷冻干燥技术涉及多个学科，有些内容我们原先并不熟悉，再加上近年来冷冻干燥技术发展很快，所以一直不敢定稿。此后，我们经过几年的集中基础性研究，在认识上有了长足的进步；在脂质体、蛋白质新药和人脐血有核细胞等的冷冻干燥方法取得了成就。2004年末此书被获准为国家自然科学基金会专著出版基金项目，并和科学出版社签订了出版合同。在这样的形势压力下，此书总算定稿了。 作为国家自然科学基金委员会资助的专著，本书着重反映我们自己的研究成果；作为工程学科研究生和高年级本科生的教材，本书也要具有一定的系统性和完整性，为此本书也包括了一些基础知识和国内外同行的研究成果。 我们希望本书具有下列特色： （1）仔细分析冷冻干燥的各个过程的机理、特点；明确各个过程的目标、措施、技术要点及存在的困难。 （2）研究活性物料和活细胞冷却冻结过程和干燥过程的特点；分析多种因素的影响，为实现新药和活细胞的冷冻干燥，以及冻干过程的优化控制，提供较深厚的理论基础。 （3）研究冷冻干燥的实验技术；介绍测量和分析物料、保护剂热物理化学性质的实验技术；探索不同的冻结过程对这些性质以及对冷冻干燥效果的影响；讨论在干燥过程中动态参数的测量技术。 （4）在冷冻干燥的物料对象的选择上，我们将研究的重点指向活细胞、热敏性新药和高级的、高附加值的食品；尽可能地反映近年来国内外研究的成果和前沿，充分地反映我们自己的研究成果；密切地与临床医学、制药技术、食品科学相结合，体现跨学科的特点。 本书的主要内容包括三个部分：冷冻干燥的理论与机理分析；冷冻干燥的技术和实施方法；药品、食品和生物体等的冷冻干燥技术。这三个部分各占约1／3篇幅。 本书所研究内容的完成，要感谢国家自然科学基金会、上海市教育委员会、上海理工大学和许多前辈、专家的鼓励与支持，特别是中国科学院资深院士、清华大学教授王补宣先生和上海理工大学教授陈之航先生。参与我们冷冻干燥研究的师生很多，博士后李云飞进行了"冷冻组合干燥技术"的研究（1996-1998年）；一些 博士生以有关的研究完成了博士学位论文。他们是，许建俊的"平板在液氮中淬冷沸腾的实验研究"（1998年）；刘占杰的"脂质体药物低温冷冻干燥的实验研究与机理分析"（2001年）；肖洪海的"人脐带血全血和单核细胞冷冻干燥的实验研究"；苏树强的"冷冻干燥过程参数测量与生物药品冻干实验研究"；高才的"线性多元醇水溶液低温下的热现象研究"（2004年）等。目前，正在从事冷冻干燥研究的有博士生左建国、何晖、杨鹏飞、李川；硕士生李军、吴正贞，以及陶乐仁、刘宝林、李保国教授和陈儿同高级工程师等。他们的部分研究工作已反映在本书的相关章节中。 在此书的编著过程中，左建国、胥义、周国燕、高才、王奇凤、吴正贞、陈建国、肖洪海、苏树强、何晖、李军、杨鹏飞、王欣、谷雪莲、林佳等都做了不少工作。本书的"冷冻干燥过程的消毒、灭菌与验证"一章，是请在血液制品质量检验方面有实践经验的晏绍庆博士（我以前的博士生）撰写的。在我以本书的初稿作为讲义给两届研究生上课期间，学生们也提出了一些问题和建议。在此，对于所有参与、支持、资助和鼓励撰写出版此书的个人和单位，表示衷心的谢意。"冷冻干燥"是国内"低温与制冷"、"食品科学与工程"等工程学科的高年级本科生的专业课程，也是"药剂学"等医学药学学科的选修课程。本书的主要读者对象是从事冷冻干燥的科技人员、研究生和本科高年级学生。他们的工作领域，包括新药研制、药剂学、医学上细胞和组织的保存、食品工程、组织工程以及化妆品制备等应用场合。从事冷冻干燥研究和应用的人员，既包括医学、药学、食品方面的科技人员，也包括制冷与低温、热能、真空等方面的科技人员。希望此书能够对他们的工作和学习有所帮助，能够成为他们的"案头书"。 由于冷冻干燥技术涉及多个学科，且正处于深入发展的阶段，而著者水平有限，因此书中难免存在不妥之处，恳请读者和有关同行专家批评指正。 华泽钊 2005年7月 于上海理工大学

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