生物制剂对温度变化特别敏感，需要特定的储存条件才能长期保持其生物活性。试剂脱水处理降低了温度敏感性，驱动冻干珠技术在诊断试剂和制药领域不断发展。
英国Biopharma Group技术业务经理Mattia Cassanelli博士在网络研讨会上介绍了LyoBead技术在诊断和制药领域的应用，并介绍了冻干珠在不同领域的应用。
1、什么是LyoBeads？
冻干珠（LyoBeads）是定制化的冻干球体，每单位冻干珠含有特定含量的物料。
在制药和诊断行业中十分常见的是PCR预混试剂冻干珠，其能够在室温下长期存储。也被用于微流体、药物输送和细菌的冻干，满足市场需求的增长。
2、为什么使用LyoBeads？
冻干珠的主要好处是便于使用。开发一种配方，可在不同的温度或不同的容器中进行多种应用，减少研发投资。
冻干珠性质稳定，可以在冻干机上高量生产，包装前可散装存储。
在冻干后，球形的冻干珠表面积最大化，复水时间也可以缩短。
3、LyoBeads在研发中的应用
在对冻干珠的配方进行筛选时，有三个主要测试阶段：相容性、初筛选和复筛选。
作为相容性步骤的一部分，根据经验和初始热分析结果，建议选择多达30种辅料。然后对这些赋形剂进行测试，以检查其在液体状态下的相容性，使得不会发生干扰。
从这些最初的测试中，选出一些有希望的候选液体配方进行冻干。所有候选配方都使用相同的冷冻干燥循环处理。样品在相同的工艺条件下进行比较。对最优的干燥产品进行表征。
在某些情况下，统计分析方法(实验设计DoE)可扩展配方候选列表，以确定基于特定参数的理想配方，如活性药物成分(API)的玻璃化转变温度(Tg’)、冻干珠的机械性能和冻干后的产品活性。遵从法规定义设计空间，确定每个批次的理想冻干条件。
研发出LyoBead配方，就可以扩大生产规模。
4、案例研究
诊断试剂-PCR技术
本研究旨在延长已开发的COVID-19检测PCR检测的液体制剂的保质期。试剂需要在室温下以高通量（96孔格式）储存，并且其反应质量不受影响。此外，还需要考虑在短时间内提高产量。
使用冷冻干燥显微镜对液体制剂进行热分析，逐渐升高温度，直观地确定塌陷点。使用Lyotherm（BioPharma Group）的进一步分析，结合电阻抗和差热分析（DTA），确定配方的玻璃化转变温度。
基于以上热分析结果，将酶、缓冲液、引物、探针等一起配置冻干珠溶液配方，并采用相容性、初筛、复筛的方式确定理想配方成分。
目测评估珠粒的形态和精致度，随后通过改进的差示扫描量热法（DSC）进一步表征产物的热性能。
为了了解产品在储存过程中的表现，需评估吸湿性及机械稳定性。
图1：研发-PCR冻干珠
动态水分吸附（DVS）测量样品在给定温度下吸附水分的情况，并将指示产品在特点情况下可以储存多长时间。
冻干产品在储存和运输过程中会受到机械应力。使用MicroPress (Biopharma Group)对冻干蛋糕施加控制压力，可以测量冻干珠在不被破坏的情况下承受的应变百分比。用曲线上的断点来形象地说明这一点，这些断点表明产品是易碎的。
图2：研发-LyoBeads的机械性能
然后评估稳健的产品复水性。冷冻干燥的产品可以更快更容易地复水，因为冻干过程会留下微小的孔隙。可以通过电子显微镜检查这些孔的大小、分布和连通。
总之，根据上述研究，测试并比较了几个用于COVID19 PCR检测的候选物。在确定了主要候选产品并优化了循环条件后，对几个批次进行了验证，确认了可用于商业用途的理想冻干珠产品。
生物制品-细菌疫苗
在这项研究中，目标是开发一种含有灭活的革兰氏阴性菌的口服疫苗的合适制剂，该制剂长期稳定并可快速复水。
对不同形式和方法的研究表明，冻干珠是理想选择。该研究还为技术转让和新的生产线提供了支持。
研究表明，快速冷冻冻干珠不会破坏细菌，是制作冻干珠的优先选择方法。在第一次筛选循环之后，相容性测试和后处理分析确定了合适的冻干保护剂。
BioPharma协助将该技术转移到客户所在地，并帮助在现场创建高效运行流程。
药品.口服片剂
口服片剂在放入包装之前需要研磨和压片。在本研究中，目标是试验使用冻干珠制备口服给药的药物产品。冻干珠的设计不需要研磨和压片，这在技术上和商业上都是有益的。
分析和优化冻干珠需要DOE方法来最大化参数。该方法使用前面描述的几种技术分析API的活性、溶解速度、冷冻状态下的热稳定性和干燥球体的机械性能。
通过计算残留水分含量和调制差示扫描量热法（MDSC）分析，确定了冻干机出样合适的时间。
这些研究助力了冻干珠的高效生产的发展，与研磨和压片产品相比，冻干珠吸收更少的水分，并且生产更快、更经济。
营养品-益生菌
本案例研究是关于口服益生菌的。最终的配方需要数以百万计的益生菌在加工后保持活力。长保存期和短复溶时间也是基本目标。
冻干珠是理想形式，但这些2mm的珠子不是快速冷冻的，而是在含有钙离子的缓冲液中由藻酸盐形成的聚合物。
在几个冷冻干燥循环的相容性研究中，确定了合适的冷冻或冻干保护剂和理想冷冻速率。在冷冻干燥显微镜上观察冻干珠的任何物理结块或形状损失。
改变冷冻干燥循环中的压力和温度能够为该产品创造适当的设计空间。
图3：四个循坏，研究合适的设计空间
5、结论
在制药和诊断领域，冻干珠是制造可长期储存的稳定产品的简单解决方案。一旦生产出来，珠子可以放入任何容器中，以适应不同的产品变化，并且可以在包装前批量储存。然而，有不同的方法来创造这些液珠，需要通过兼容性测试、初筛选和复筛选进行优化。
LyoBeads可用于许多不同的领域，上面的案例研究中描述了其中的几个领域。这些珠子重要的应用之一是在PCR中，其中在室温下储存的稳定冻干产品可以加速和增加PCR筛选分析的通量。
6、问答环节
Q：冻干珠生产型冻干机
SP Ultra冻干机是专门针对IVD行业的需求开发的一款机型，占地面积小（0.77m2），冻干面积大（最大可达2.13m2）。可选择温度比较法，压力升测试法，皮拉尼与电容压差法等完善的PAT工具来开发、优化冻干工艺及控制整个过程。没有常规生产型冻干机臃肿的体积，恰恰好地满足了IVD企业的生产需要，在国内外受到广泛好评。
Q：如何确定产品可承受的最大压力？
MicroPress使用线性执行器轻轻压缩冻干饼，以确定冻干饼的刚度（杨氏模量）和强度（破坏时的最大应力）。
Q：液氮冷冻冻干珠，与标准的西林瓶灌装冻干相比，在冻干过程中有什么差异？
液氮冷冻冷却速度会快得多，产生非常小的冰晶。可能会增加产品的耐升华性，但考虑到珠子的表面积与体积之比远高于标准小瓶，整体升华速率仍然会非常快。
Q：如何控制LyoBeads的静电？
通过使用适当的赋形剂和容器，可以尽可能大限度地减少静电问题。