本研究由无锡药明合联生物技术有限公司（Wuxi XDC Co., Ltd.）生物偶联产品开发与生产部门的Shuangxiu Shu， Zidan Yuan， Jitang Chen， Zhi Yang， Lingyun Zou， Yuhui Gong*， Chunyuan Jia*， Jianjun Luo以及该公司位于美国大波士顿地区的US EU CMC管理部门Bingquan (Stuart) Wang共同完成。该研究已发表于《European Journal of Pharmaceutical Sciences》期刊，于2025年2月10日在线发表。

学术背景 本研究聚焦于冻干（lyophilized）药品，特别是生物制品（如抗体偶联药物ADC）在生产过程中一个常见的、但影响产品外观和批次合格率的挑战——西林瓶雾化（vial fogging）现象。冻干技术在提高蛋白质药物稳定性、延长货架期方面具有显著优势，但其最终产品（即冻干饼状物）的外观质量是工艺开发中的关键考量。雾化是指在冻干后，西林瓶内壁附着的一层白色雾状物。目前普遍认为，雾化本身不直接影响产品的内在质量（如效价、纯度），但其存在会引发对容器密闭完整性（container closure integrity）的担忧，从而导致药品生产中的产品不合格率升高，增加制药公司的成本。因此，理解并减轻雾化现象对于提升冻干药品的商业化生产效率和产品可接受度具有重要意义。

先前的研究普遍认为，雾化的发生与液体/固体界面处的界面能（interfacial energy）驱动的马兰戈尼效应（Marangoni effect）有关，表面张力梯度导致药液沿瓶壁爬升并最终在冻干后形成雾状残留。行业中已知，不含表面活性剂的配方雾化程度较轻，而添加了表面活性剂（尤其是两亲性蛋白质配方）的药品更容易出现雾化。当前，通过硅化（siliconization）处理西林瓶内表面以形成疏水屏障是减轻雾化的有效方法，例如Schott公司的Topyo®西林瓶。然而，基于成本和综合因素的考量，此类涂层西林瓶并未在制造业中被广泛使用，因此探索其他缓解雾化的策略具有重要的实际价值。

基于以上背景，本研究旨在系统探究影响雾化程度的关键因素，特别是从表面能（surface energy）和表面张力（surface tension）这两个物理化学性质的角度进行深入研究。其具体目标包括：1）考察不同品牌和类型的西林瓶（涂层与非涂层）及其去热原（depyrogenation）处理工艺对西林瓶内表面表面能的影响，并探究表面能与雾化程度的关系；2）考察不同配方（尤其是不同种类和浓度的表面活性剂）对溶液表面张力的影响，并探究表面张力与雾化程度的关系；3）建立基于西林瓶表面能和药液表面张力的预测模型，为在冻干工艺开发前期快速筛选配方和西林瓶类型、提升冻干药品外观质量提供新的策略和方法。

详细研究流程 本研究包含一个系统的、多步骤的实验流程，旨在将西林瓶的表面特性、配方的理化性质与最终的冻干产品外观进行量化关联。

第一部分：表面能测量与西林瓶处理。 首先，研究团队选取了五种不同类型的20毫升玻璃西林瓶作为研究对象，包括欧姆勒（Ompi）未涂层西林瓶（中国张家港产和意大利产）、欧姆勒涂层西林瓶（中国张家港产，喷涂或浸涂聚二甲基硅氧烷）、肖特（Schott）未涂层西林瓶（中国苏州产）以及肖特涂层西林瓶（德国产，采用PICVD涂层技术，零游离硅）。为了研究去热原工艺的影响，研究设定了不同的处理条件：对照组（未清洗、未去热原）、清洗后在250°C下热处理1小时、清洗后在350°C下热处理0.5小时。对于每一种西林瓶，在每种处理条件下，使用液滴形状分析仪（Krüss-DSA2SS）测量蒸馏水和二碘甲烷在其内表面的接触角（contact angle）。每个测量均进行三次平行实验以保证数据准确性。随后，利用Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) 方法，根据测得的水（极性液体）和二碘甲烷（色散液体）的接触角数据，计算得到西林瓶内表面的表面能及其分量（极性与色散分量）。这一步骤旨在量化不同西林瓶和处理条件下的表面能基线。

第二部分：表面张力测量与配方准备。 为了研究配方对雾化的影响，研究团队配制了一种典型的基于蔗糖的缓冲体系（20 mM组氨酸/组氨酸盐酸盐，pH 6.0），并在其中添加不同种类和浓度的表面活性剂。表面活性剂选用蛋白药物配方中常用的聚山梨酯20（PS20）和聚山梨酯80（PS80）。使用表面张力仪（Krüss-K100）并采用Wilhelmy板法，测量了含有不同浓度（0-0.1%， w/v）PS20或PS80的溶液在室温（约25°C）和低温（约11°C）下的表面张力。每个测量同样进行三次平行实验。此外，为了研究表面张力对雾化的直接影响，后续的冻干实验采用了添加了不同浓度（0, 0.01%, 0.02%, 0.05%）PS20或PS80的、含有15 mg/mL牛血清白蛋白（BSA）的相同蔗糖-组氨酸缓冲液（pH 5.5）作为模型配方。

第三部分：雾化程度评估与冻干工艺。 冻干实验是连接前序理化测量与最终现象评估的关键环节。研究采用Christ Epsilon 2–10D LSCplus型冻干机，采用了标准的多步冻干工艺，包括预冻、主干燥（一次干燥）和二次干燥阶段。具体工艺参数为：将样品从5°C降至-45°C并保持，然后在-7°C和-45°C之间进行退火，最终在-15°C和35°C下进行两阶段干燥，整个过程保持0.1 mbar的腔体压力。将待测溶液填充到经过不同预处理的西林瓶中，然后进行冻干。冻干结束后，在清晰度检测器下对每个样品进行目视检查。为了量化雾化程度，研究参考了先前文献建立了一套半定量评分标准。将雾化程度分为四级：无雾化（-）；有雾化但低于瓶身中点（+）；高于瓶身中点但低于瓶肩和瓶颈（++）；以及雾化层延伸至瓶肩和瓶颈以上（+++）。基于此，计算每个实验组的“平均雾化分数”：平均雾化分数 = (无雾化的瓶数×0 + 一级雾化瓶数×1 + 二级雾化瓶数×2 + 三级雾化瓶数×3) / 总瓶数。每个实验条件（如不同西林瓶类型或不同表面活性剂浓度）通常评估10至21个平行样品。

第四部分：数据分析与关联性研究。 所有表面能和表面张力数据均以平均值±标准差（Mean ± SD）表示，每组实验进行三次平行测量。采用Student‘s t检验对配对变量数据进行统计分析，以比较差异的显著性。研究的核心数据分析是将第一、二部分获得的理化数据（西林瓶表面能、药液表面张力）与第三部分获得的雾化分数进行关联分析，绘制图表，直观展示并分析表面能、表面张力与雾化程度之间的定量关系。

主要研究结果 本研究获得了系统且清晰的实验结果，揭示了西林瓶表面能和药液表面张力对雾化现象的显著影响规律。

1. 西林瓶表面能与雾化的关系。 表面能测量结果表明，涂层西林瓶的表面能（<32 mN/m）显著低于未涂层西林瓶（>60 mN/m）。与此对应，冻干实验显示，两种涂层西林瓶（肖特和欧姆勒）基本没有出现显著雾化（平均雾化分数分别为0.00和0.10），而三种未涂层西林瓶均表现出明显的雾化现象（平均雾化分数在1.95至3.00之间）。将表面能与雾化分数进行关联分析，发现两者存在明确的直接正相关关系：西林瓶表面能越高，冻干后出现的雾化程度越严重。去热原处理显著影响了未涂层西林瓶的表面能。实验数据显示，未经清洗和去热原处理的对照组西林瓶表面能最低，雾化程度最轻（平均雾化分数1.05）；清洗后在250°C处理1小时的西林瓶，表面能升高，雾化加剧（平均雾化分数1.62）；而在350°C处理0.5小时的西林瓶，表面能达到最高，雾化也最为严重（平均雾化分数2.43）。这种趋势与文献中观察到的现象一致，可能的解释是热处理清除了西林瓶表面潜在的污染物，或者引发了玻璃表面硅羟基的重排结构变化（如形成二硅环或三硅环），从而改变了其表面能和与药液的相互作用力，加剧了溶液的“爬壁”现象。值得注意的是，热处理对涂层西林瓶表面能的影响相对较小，尤其是欧姆勒涂层西林瓶，其表面能在不同热处理后未见显著差异，这可能是其涂层工艺提供了更稳定的疏水保护层。

2. 溶液表面张力与雾化的关系。 表面张力测量结果符合理论预期：在相同温度下，表面活性剂浓度越高，溶液表面张力越低；相同浓度下，PS20降低表面张力的能力比PS80更强；温度降低会导致溶液表面张力升高。冻干实验结果清晰地证实了表面张力与雾化程度之间的负相关关系。在BSA模型配方中，随着PS20或PS80浓度的增加，溶液表面张力下降，对应的平均雾化分数则显著上升。比较两种表面活性剂，在相同浓度下，添加PS20的溶液表面张力更低，其冻干后的雾化分数也更高，即雾化现象更严重。将表面张力测量值与雾化分数相关联，可以得出结论：溶液的表面张力越低，冻干后出现雾化的程度越严重。这主要是因为表面活性剂是两亲性分子，它们吸附在液-气界面，降低了表面张力，同时也可能增强了溶液与玻璃瓶壁（固-液界面）的相互作用，从而促进了溶液在瓶壁上的铺展和爬升，最终在冻干后留下更多的溶质残留物形成“雾”。

3. 温度和供应商差异的影响。 研究还发现了两个有意义的观察点。首先，温度通过影响表面张力而间接影响雾化潜力。较低的药液温度（如11°C）会使其表面张力高于室温（25°C），理论上这有助于减轻雾化。这提示在生产过程中，如果能将灌装和装载阶段的药液及环境温度控制在低温（如2-8°C），可能是一个潜在的雾化缓解策略，尽管这对生产条件提出了严格要求。其次，即便同为未涂层西林瓶，不同供应商（如欧姆勒与肖特）的产品在相同的去热原处理后，其表面能和雾化程度也存在显著差异，这说明玻璃西林瓶的表面微观结构和化学性质存在固有的、影响其性能的差异。

结论与研究价值 本研究系统地揭示了西林瓶雾化现象的关键影响因素及其内在物理化学机制，并得出了以下明确结论： 1. 西林瓶表面能是决定雾化程度的关键因素。 涂层西林瓶因其较低的表面能，能有效预防雾化。未涂层西林瓶的雾化严重程度与其表面能呈正比，而去热原处理（尤其是高温处理）会显著提高未涂层西林瓶的表面能，从而加剧雾化。 2. 药液表面张力是决定雾化程度的关键因素。 配方中添加的表面活性剂会降低溶液的表面张力，从而导致更严重的雾化。表面活性剂浓度越高、降低表面张力能力越强（如PS20相对于PS80），雾化现象就越显著。雾化程度与溶液表面张力呈反比。 3. 综合作用模型： 冻干产品的雾化程度与西林瓶的表面能成正比，与药液的表面张力成反比。因此，高的西林瓶表面能和低的药液表面张力共同作用，会最大化雾化风险；反之，低的西林瓶表面能和高的药液表面张力，则能有效减轻或避免雾化。

本研究的科学价值在于，首次在同一研究中系统地、定量地将西林瓶的表面性质（表面能）和配方的性质（表面张力）这两个关键变量，与冻干雾化这一宏观现象进行了关联和建模，深化了对雾化形成机理的理解，超越了以往定性的或单一因素的分析。其应用价值尤为突出，为制药工业界在冻干产品开发和工艺优化中提供了明确的、可操作的指导原则和快速筛选工具。在开发早期，通过简单的接触角/表面能测量和表面张力测量，即可对候选西林瓶类型、去热原工艺条件以及配方（特别是表面活性剂种类和浓度）进行预筛选和风险评估，从而在保证蛋白药物稳定性的前提下，选择出能最小化雾化风险的组合方案，提升产品的外观质量和批次合格率，降低生产成本。

研究亮点 1. 研究视角的整合与创新： 本研究并未孤立地看待西林瓶或配方，而是创造性地将“容器”（西林瓶表面能）与“内容物”（药液表面张力）两个维度的物理化学性质结合起来，共同解释雾化现象，提供了一个更全面的分析框架。 2. 定量关联模型的建立： 通过精确的仪器测量和半定量的雾化评分系统，研究成功地建立了表面能、表面张力与雾化分数之间的定量或半定量关联曲线，使得预测成为可能。 3. 对生产实践的强指导性： 研究结论直接指向了可被工业界采纳的具体参数和策略，例如明确指出了涂层西林瓶的优势、去热原工艺的温度选择风险、以及权衡表面活性剂浓度在稳定性和外观之间的必要性。关于温度影响的观察也为生产环境控制提供了新的思路。 4. 详实的实验设计： 研究涵盖了多种西林瓶品牌、产地、涂层状态，不同的去热原工艺参数，以及不同种类和浓度的表面活性剂，使得结论具有较好的代表性和普适性。