本研究由来自美国普渡大学药学院（School of Pharmacy, Purdue University）的Sakchai Wittaya-areekul和Steven L. Nail完成，于1998年4月发表于 Journal of Pharmaceutical Sciences 第87卷第4期。该研究属于药物制剂学与冷冻干燥技术领域，旨在系统考察以叔丁醇（tert-butyl alcohol, TBA）/水共溶剂体系进行冷冻干燥时，制剂处方与工艺变量对冻干固体中残留TBA及异丙醇（isopropyl alcohol, IPA）水平的影响。
在注射用药物制剂开发中，选择处方pH往往需要在溶解度与稳定性之间做出权衡。即使对拟冷冻干燥的制剂，足以保证溶解度的pH也可能在溶解、过滤、灌装和冷冻过程中导致药物显著降解。使用有机共溶剂可以在不牺牲稳定性的前提下改善弱酸性药物的溶解度，例如前列腺素E-1冻干制剂即采用20% TBA/水共溶剂体系。TBA还可改变冰晶习性，形成较大的针状冰晶，从而降低一次干燥（primary drying）阶段部分干燥固体层对水蒸气流动的阻力，加快干燥速率，并提高干品比表面积，有利于快速复溶。然而，制剂研究者普遍关注残留溶剂问题，尤其是其潜在的监管影响。基于此，本研究旨在明确影响冻干固体中残留TBA和IPA水平的关键处方与工艺变量。
研究采用蔗糖（sucrose）作为非结晶性溶质模型，甘氨酸（glycine）作为结晶性溶质模型。首先利用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）测定TBA的共晶结晶（eutectic crystallization）阈值浓度。DSC实验采用TA Instruments 2920型仪器，样品量为20 μL，以氦气为吹扫气，先以10 °C/min降温至-65 °C，再以5 °C/min升温记录热谱。实验结果显示，对5%蔗糖溶液，当TBA浓度约为2%时出现TBA水合物/冰共晶混合物的熔化吸热峰；当TBA浓度超过该阈值时，TBA主要以共晶混合物形式结晶析出；低于该阈值时，TBA则分散于无定形相中。蔗糖浓度升高会使TBA共晶结晶阈值浓度相应提高。对于5%甘氨酸溶液，即使在0.5%的最低TBA浓度下也可观察到TBA结晶，说明甘氨酸与TBA在冷冻过程中均易于分别结晶。
在考察初始TBA浓度对残留TBA影响的实验中，样品以2 mL灌装量装入10 mL血清瓶中，置于冻干机搁板上于-45 °C预冻6—9小时；一次干燥在搁板温度-35 °C、腔室压力70 mTorr条件下进行40小时，二次干燥（secondary drying）在25 °C、70 mTorr条件下进行46小时。残留溶剂采用带火焰离子化检测器的气相色谱法（gas chromatography, GC）测定。结果表明，对于5%蔗糖体系，初始TBA浓度对残留TBA水平有显著影响。初始TBA浓度为2%时，残留TBA最高可达约9%；初始TBA浓度升至3%时，残留TBA降至约2%以下；初始TBA浓度继续升高时，残留TBA水平基本保持不变。这与热分析揭示的TBA物理状态变化高度一致：低于阈值浓度时TBA分散于无定形相中，难以去除；高于阈值浓度时TBA主要以结晶态存在，冻干后易于通过升华或蒸发去除。相比之下，残留IPA水平则随初始TBA浓度增加而持续升高，因为IPA/冰体系不易形成共晶，IPA不会因TBA浓度升高而结晶。在甘氨酸体系中，残留TBA水平比蔗糖体系低约两个数量级，为0.01%—0.03%，且与初始TBA浓度无关。这进一步证明溶质的物理状态，即结晶态与无定形态，是决定残留TBA水平的最重要因素。
在冷冻速率影响研究中，对5%蔗糖与不同浓度TBA的配方分别采用“慢速冷冻”和“快速冷冻”两种方式。慢速冷冻为将样品置于室温搁板后以约2 °C/min的平均速率降温至-45 °C；快速冷冻为将样品瓶浸入液氮后迅速转移至预冷搁板。两组样品在同一批次中按相同冻干条件干燥。结果发现，快速冷冻样品的残留TBA水平显著高于慢速冷冻样品；初始TBA浓度超过3%时，快速冷冻样品的残留TBA约为慢速冷冻样品的两倍，且差异在95%置信水平上具有统计学意义。虽然快速冷冻通常形成更小的冰晶和更高的干品比表面积，可能有利于二次干燥中TBA的去除，但慢速冷冻更有利于TBA在冷冻阶段充分结晶，从而最终降低残留TBA水平。实验数据表明，后一效应占主导地位。
为考察二次干燥温度与时间的影响，以5%蔗糖/5% TBA为模型配方，利用取样器（sample thief）在二次干燥期间按不同时间点取样。三次实验的一次干燥条件相同，二次干燥分别在25、35和45 °C下进行46小时，腔室压力均为70 mTorr。结果显示，残留TBA随时间变化表现为先快速下降后进入“平台期”（plateau）的动力学特征，与文献报道的残留水分行为一致；但与残留水分相比，TBA平台期更平坦，且在25—45 °C范围内，平台水平随温度升高仅有轻微下降。这表明TBA去除可能主要受限于其在干燥固体中的扩散或表面蒸发速率，单纯提高二次干燥温度或延长时间并非降低残留TBA的高效手段。
在饼层厚度（cake thickness）实验中，将5%蔗糖溶液以1—5 mL的不同灌装量装入10 mL血清瓶，经慢速冷冻后进行冻干。结果发现，在初始TBA浓度为2%（低于共晶阈值）时，饼层厚度增加导致残留TBA水平显著升高；初始TBA为5%时亦有升高趋势，但统计意义不显著；初始TBA为10%时，残留TBA与饼层厚度无关。低初始TBA浓度下的厚度依赖性可能并非直接传质限制，而是反映了灌装深度对有效冷冻速率的影响：较大灌装深度导致更慢的实际冷冻速率和更小的干燥固体比表面积，从而降低TBA的去除效率。实验中的残留IPA水平在0.09%—0.18%之间，且不受二次干燥温度或时间的影响。
综合以上结果，本研究得出结论：为了最大限度降低TBA/水共溶剂体系冻干产品中的残留TBA，应首先考虑冻干固体的物理状态。结晶性冻干固体中残留TBA水平非常低，而大多数冻干制剂至少部分为无定形态，因此需采用其他策略。本研究反驳了通过减少初始TBA浓度来降低残留TBA的观点。实际上，较高的初始TBA浓度可通过促进TBA水合物/冰共晶结晶而获得较低残留TBA。热分析可作为确定共晶结晶阈值浓度的有效工具。对于本研究所考察的无定形溶质蔗糖，慢速冷冻有利于降低残留TBA，而高温长时间二次干燥并非最小化残留TBA的有效方法。
本研究的学术价值在于系统揭示了溶质物理状态、初始TBA浓度、冷冻速率、饼层厚度及二次干燥条件对残留溶剂水平的交互影响，明确了冻干过程中TBA的去除机制与其相态转变密切相关。应用价值方面，研究为以TBA/水共溶剂体系进行注射剂冻干提供了处方设计和工艺参数选择依据：在无定形体系中，应保证TBA浓度高于共晶阈值并采用慢速冷冻；在结晶性体系中，则可获得极低的残留TBA。值得关注的是，该研究较早地将热分析用于预测冻干过程中溶剂结晶行为，并结合GC残留溶剂测定，形成了从热力学相行为到工艺变量优化的研究方法路线。此外，实验中使用的取样器技术使同一批次内不同二次干燥时间点的样品分析成为可能，提高了数据可比性。该研究对残留溶剂控制的理解至今仍对冻干制剂的开发具有指导意义。