本研究由Sakchai Wittaya-Areekul（现任职于泰国Naresuan University）、Gregory F. Needham、Nathaniel Milton、Michael L. Roy及Steven L. Nail完成，主要作者分别来自Purdue University工业与物理药学系及Lilly Research Laboratories药物开发部门。该研究于2002年4月发表在Journal of Pharmaceutical Sciences第91卷第4期，页码为1147–1155。

从学术背景来看，该研究属于药剂学领域中的冻干技术（lyophilization，即冷冻干燥）分支，重点关注有机共溶剂体系在冻干粉针剂开发中的应用。妥布霉素（tobramycin）是一种氨基糖苷类抗生素，主要用于革兰氏阴性菌感染的治疗。其硫酸盐形式（tobramycin sulfate）在临床上常以无菌溶液形式销售，但在骨科手术中，需要将无菌粉末与骨水泥混合使用，以预防术后感染。该应用对粉末的关键质量属性要求是：粉末必须具有良好的流动性，能够从西林瓶中容易地倒出。然而，直接从水中冻干妥布霉素硫酸盐会形成坚硬的冻干固体，振摇时不易碎裂，无法满足倾倒要求。因此，传统生产工艺需要多个复杂步骤才能制得可倾倒的无菌粉末。本研究的目的是探索利用叔丁醇（tert-butanol, TBA）/水共溶剂体系直接制备一种松散、振摇后即可形成可流动粉末的冻干产品，并重点研究影响冻干固体物理性质和残留溶剂水平的关键处方与工艺变量。

在实验流程方面，研究者首先通过滴定法将妥布霉素游离碱与50%硫酸反应制备妥布霉素硫酸盐，调节pH至7.3–7.5，再加入TBA。热分析采用温度调制差示扫描量热仪（DSC），将样品从室温冷却至−60°C，冷却速率范围为0.1°C/min至5°C/min，升温速率通常为1°C/min。冻干实验使用配备样品取出装置的实验室冻干机，每批放置三支含热电偶的西林瓶监测温度。研究考察了不同TBA初始浓度、不同妥布霉素硫酸盐浓度、不同冷却方式（慢速冷却、预冷搁板快速冷却、液氮淬冷）以及不同退火（annealing）条件对残留TBA水平的影响。初级干燥条件为搁板温度−20°C、50小时、腔室压力100 mTorr，次级干燥为25°C、10小时或35°C、48小时。残留水分采用Karl Fischer滴定法测定，残留溶剂采用气相色谱法（GC）测定，冻干粉末的结晶状态采用X射线粉末衍射分析，冻干饼块的易碎性通过手动振摇或轻敲西林瓶评价。

研究结果显示，使用TBA/水共溶剂体系可以制备出松散的冻干粉末，但前提是冷冻过程中避免发生液液相分离（liquid–liquid phase separation）。所有冻干固体经X射线粉末衍射测定均为无定形（amorphous）状态，残留水分均不超过0.5%。DSC分析表明，在妥布霉素硫酸盐体系中，TBA比在妥布霉素游离碱体系中更容易结晶，前者在冷冻过程中TBA即可结晶，而后者需在升温过程中才出现TBA结晶放热峰。这与残留TBA水平密切相关：相同条件下，妥布霉素游离碱的残留TBA为6.0%–7.0%，而妥布霉素硫酸盐仅为0.98%–1.2%。研究观察到，当TBA浓度超过20%且妥布霉素硫酸盐浓度超过12%时，室温下即出现液液相分离；在10% TBA和12%妥布霉素硫酸盐条件下，室温下虽为单相，但冻干后固体呈现两层结构。这种相分离不仅外观不雅，而且冻干固体不易碎裂，残留TBA水平高，复溶速度慢。通过系统改变妥布霉素硫酸盐浓度（6%–12%）和TBA浓度（5%–10%）确定相分离边界：TBA浓度低于8%且妥布霉素硫酸盐浓度低于8%时为单相体系。处方优化研究表明，在9% TBA条件下，11%妥布霉素硫酸盐的残留TBA显著高于其他浓度，提示存在肉眼不易察觉的微小相分离；而在8%–10%妥布霉素硫酸盐范围内，残留TBA水平为0.65%–0.78%，无统计学差异。次级干燥条件的研究表明，延长次级干燥时间和提高温度（35°C、48小时）并不能显著降低残留TBA水平，说明残留TBA一旦在无定形基质中被固定，其去除不再受次级干燥条件控制。冷冻历史对残留TBA水平有显著影响：液氮淬冷导致残留TBA超过1.5%，因为TBA在玻璃化转变温度（Tg′）以下黏度极高，晶体生长受动力学限制；慢速冷却和预冷搁板冷却的残留TBA无显著差异；而先冷却至−45°C再升温至−20°C退火4小时，可使残留TBA降至约0.3%。这表明低温下先成核、再在Tg′以上退火促进晶体生长是降低残留TBA的关键。异丙醇（isopropanol, IPA）作为TBA原料中的杂质，其残留行为与TBA相反：液氮快速冷冻产生更小的冰晶和更大的比表面积，有利于IPA蒸发和扩散，因此残留IPA最低；而退火促进冰晶和TBA晶体生长，减小比表面积并增大扩散路径，导致残留IPA升高。

本研究的核心结论是：TBA/水共溶剂体系可用于直接制备可倾倒的妥布霉素硫酸盐冻干粉末，但必须避免液液相分离。TBA在冷冻过程中的结晶是实现低残留TBA水平的关键，而TBA结晶受冷冻历史显著影响。退火处理在Tg′以上可显著降低残留TBA水平，而次级干燥即使延长时间和提高温度也效果有限。这一发现对冻干工艺开发具有重要指导意义。

本研究的科学价值在于系统阐明了TBA/水共溶剂冻干体系中，处方组成、相分离行为、TBA结晶程度与残留溶剂水平之间的相互关系，并通过热分析和冷冻历史研究揭示了TBA结晶动力学对残留溶剂控制的关键作用。其应用价值在于为需要可倾倒冻干粉末的注射剂产品提供了一种可行的一步冻干工艺策略，避免了传统多步骤粉末灌装的复杂性。研究的亮点包括：明确了TBA/水共溶剂体系中液液相分离的相边界条件；证明了退火是控制残留TBA的有效手段，而次级干燥无效；揭示了IPA与TBA残留行为的差异性机制；以及发现了妥布霉素硫酸盐与游离碱在TBA结晶行为上的显著差异。此外，研究还观察到冻干过程中粉末可能从西林瓶中喷出，提示在工艺放大时需注意产品损失和除尘问题。