低温喷雾干燥可用于制备生物制品干粉制剂，但实验室规模设备在低出口温度与低出口相对湿度条件下运行时的产率往往偏低，难以满足临床前或毒理研究所需物料量。本研究以含佐剂蛋白结核病疫苗候选物为对象，在定制实验室规模喷雾干燥机上开展工艺放大。核心思路是借助喷雾干燥过程模型计算可接受加工参数范围，在维持低出口温度与低出口相对湿度的前提下提高进料浓度与进料速率，使单次 6 小时运行的粉末产量达到 97.6 g，产率较此前可吸入制剂提升十倍。
研究通过多类仪器形成证据链：动态水分吸附分析仪建立出口相对湿度与粉末水分含量的关系；喷雾干燥过程模型完成参数空间计算与筛选；扫描电镜、拉曼光谱与卡尔费休滴定分别表征颗粒形态、固相状态与残留水分；动态光散射、反相高效液相色谱与 SDS-PAGE 评估再分散后乳液粒径及抗原与佐剂组分含量；下一代撞击器与理想化喉部模型评价体外气溶胶性能。
实验流程
| 实验环节 | 仪器技术 | 解决问题 | 产生数据 |
|---|---|---|---|
| 粉体水分–湿度关系建立 | 动态水分吸附分析仪（DVS Intrinsic PLUS） | 确定喷雾干燥出口相对湿度与粉末水分含量的对应关系 | 吸附与解吸等温线，40 °C、0%～30% RH |
| 工艺参数空间计算 | 基于能量与质量平衡的喷雾干燥过程模型（MATLAB 实现） | 在出口温度与出口相对湿度约束下筛选可接受的进料速率与进料浓度 | 工艺设计空间曲面，涵盖逾 216 万组参数组合 |
| 放大批次喷雾干燥 | 定制实验室规模喷雾干燥机，配双流体雾化器与定制旋风分离器 | 在低出口温度与低出口相对湿度下提高产率 | 97.6 g 粉末，总运行 353 分钟，收率 48.8% |
| 颗粒形态观察 | 场发射扫描电镜（Zeiss Sigma 300 VP-FESEM） | 确认放大后颗粒内外形态是否改变 | 颗粒表面与内部形貌图像 |
| 固相状态分析 | 宏观拉曼光谱 | 确认海藻糖固相是否保持非晶态 | 拉曼光谱及参考谱去卷积结果 |
| 残留水分测定 | 卡尔费休库仑滴定仪配烘箱附件 | 量化放大批次粉末水分含量 | 水分百分比，2.6%±0.2% |
| 体外气溶胶性能评价 | Alberta 理想化喉部与下一代撞击器（NGI） | 比较放大前后肺部沉积与排空剂量 | 排空剂量、肺部剂量 |
| 再分散乳液粒径分析 | 动态光散射（ZetaSizer NanoZS） | 评估喷雾干燥与再分散后角鲨烯乳液粒径分布 | 平均流体力学直径、多分散指数 |
| 佐剂组分含量测定 | 反相高效液相色谱配带电雾检测器 | 定量角鲨烯与 GLA 在干燥后的保留率 | 角鲨烯、GLA 浓度 |
| 抗原含量测定 | SDS-PAGE 配 SYPRO Ruby 染色与凝胶成像系统 | 定量 ID93 在干燥后的保留率 | ID93 浓度 |
关键环节
放大面临的核心问题是低温干燥条件下产率与粉体稳定性之间的平衡。研究以海藻糖为主要赋形剂，采用 Gordon-Taylor 方程估算海藻糖–水体系的增塑曲线，将湿态玻璃化转变温度 96 °C 对应为水分含量 1.3% 的目标值，并进一步依据动态水分吸附分析仪实测的解吸曲线，将出口相对湿度目标设定为 7%。这一步为后续所有工艺参数筛选提供了量化边界，使水分含量目标不是经验设定，而是由材料物理性质推导得出。
工艺参数空间的计算由基于能量与质量平衡的喷雾干燥过程模型完成。模型以进料浓度、进料速率、干燥气体流量、进口温度与雾化气体压力为输入，输出产率、出口温度与出口相对湿度。在出口相对湿度低于 7%、出口温度低于 50 °C 的约束下，模型对逾 216 万组参数组合进行筛选，并以进口温度与干燥气体流量为坐标、以允许进料速率为色阶生成可视化工艺设计空间。据此选择的放大条件为：干燥气体流量 700 SLPM、进口温度 70 °C、进料速率 3.1 mL/min、雾化气体压力 138 kPa、总进料浓度约 214 mg/mL。相比此前的可吸入制剂条件，干燥气体流量、进口温度、雾化压力与进料速率均有提升，出口温度由 36 °C 升至 48.3 °C，但出口相对湿度仍维持在 7%，预测湿态玻璃化转变温度仍为 96 °C。
粉末表征环节用于验证放大后粉体性能是否与原有小批量样品一致。扫描电镜显示放大批次颗粒仍为表面光滑的圆形颗粒，内部呈泡沫状结构，角鲨烯乳液成功包埋于海藻糖玻璃态基质中，未见桥接或结晶迹象，仅颗粒尺寸按预期增大。拉曼光谱去卷积结果确认海藻糖固相保持非晶态，说明提高后的出口温度未引发固相转变。卡尔费休滴定测得放大批次水分含量为 2.6%±0.2%，略高于基于解吸曲线的预测值，作者归因于收集瓶温度低于出口温度导致局部相对湿度偏高，以及运行结束时粉末可能尚未达到吸附平衡；若假定水分全部由海藻糖相吸收，海藻糖相水分可达约 3.2%，对应湿态玻璃化转变温度约 74 °C，仍高于出口温度且约高于室温 50 °C，表明粉体在干燥过程中未出现明显黏壁或结晶。
再分散后的生物物理性质与活性成分含量用于判断放大是否影响疫苗关键质量属性。动态光散射测得放大批次乳液平均粒径为 107±1 nm，多分散指数为 0.115±0.003，均处于可接受范围内，与放大前制剂的 108±1 nm 接近。反相高效液相色谱测得再分散后 GLA 为 98±1 μg/mL、角鲨烯为 17.1±0.3 mg/mL，均接近进料浓度对应的目标值，表明佐剂组分在干燥后得到保留。SDS-PAGE 测得 ID93 为 77±4 μg/mL，对应目标值 80 μg/mL，未检出明显加工损失。体外气溶胶性能方面，放大批次排空剂量为 100±2%，肺部剂量为 17±1%，与放大前制剂的 16±1% 相当，未观察到放大对气溶胶性能的不利影响。
技术协同
| 关系类型 | 涉及仪器/技术 | 关系说明 |
|---|---|---|
| 流程支撑 | 动态水分吸附分析仪、喷雾干燥过程模型 | 解吸曲线提供出口相对湿度与粉末水分的定量关系，过程模型据此计算可接受参数空间 |
| 参数筛选与执行 | 喷雾干燥过程模型、定制实验室规模喷雾干燥机 | 模型筛选出的参数组合直接用于放大批次运行，避免逐次试错 |
| 互补验证 | 扫描电镜、拉曼光谱、卡尔费休滴定 | 分别从形态、固相与水分三个维度确认粉体物理状态是否符合设计目标 |
| 活性验证 | 动态光散射、反相高效液相色谱、SDS-PAGE | 从乳液粒径、佐剂含量与抗原含量三方面确认生物组分在放大后是否保留 |
| 功能验证 | 下一代撞击器与理想化喉部模型 | 以体外气溶胶性能确认放大后粉体仍具备可吸入递送所需的分散与沉积特征 |
研究组合
| 研究目标 | 可参考仪器组合 | 组合价值 |
|---|---|---|
| 在实验室规模设备上提高低温喷雾干燥产率 | 动态水分吸附分析仪 + 喷雾干燥过程模型 + 定制实验室规模喷雾干燥机 | 以材料水分–湿度关系为边界，通过模型计算参数空间，减少物理试错次数，适用于热敏感生物制品或佐剂疫苗的放大 |
| 确认放大后粉体物理状态一致性 | 场发射扫描电镜 + 宏观拉曼光谱 + 卡尔费休库仑滴定仪 | 从颗粒形态、固相状态与残留水分三个层面建立物理稳定性证据，适用于非晶态糖玻璃基质粉体 |
| 确认放大后活性组分保留 | 动态光散射 + 反相高效液相色谱 + SDS-PAGE | 分别评估乳液粒径、佐剂含量与抗原含量，适用于含纳米乳液佐剂的蛋白疫苗干粉 |
| 评价放大后体外气溶胶性能 | Alberta 理想化喉部 + 下一代撞击器 | 获取排空剂量与肺部剂量数据，适用于吸入或鼻部递送用干粉制剂的批次间比较 |
需要注意的是，上述组合的可借鉴性依赖于具体配方与设备条件。过程模型需要针对具体干燥器几何结构进行热损失标定；动态水分吸附分析仪的解吸曲线需在接近实际出口温度的条件下测定；拉曼光谱去卷积需事先获得各组分非晶态与晶态参考谱。若配方中疏水组分比例不同，水分在糖相与油相间的分配假设也需重新评估。此外，本研究的长期稳定性尚未通过长期稳定性研究建立，产量提升是否影响长期储存表现仍需另行验证。
文献信息
Aisenstat M, McCollum J, Ordoubadi M, Wang H, Minootan Z, Gerhardt A, Martin AR, Fox CB, Vehring R. Scale-up of a low-temperature spray-drying process for a tuberculosis vaccine candidate using lab-scale equipment. International Journal of Pharmaceutics, 2025. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2025.125456. PMID: 40074162.