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冻干技术在诊断试剂中的运用

随着全球经济的发展,全球卫生医疗得到了快速发展,精准医疗成为热点课题,从而带动诊断行业发展壮大。诊断试剂产业已成为当今世界上最活跃、发展最快的行业之一。 我国有14亿人口,占世界总人口的22%,随着人民群众收入的增加和生活标准的提高,人们对健康和医疗品质又有了更高的需求。体外诊断试剂产业市场潜力巨大。目前,我国有18000多家医院、300多个血站,同时,数以千计的体检中心以及数以百计的独立实验室正如雨后春笋般异军突起,一些独立的医学检验实验室也逐步兴起,这为体外诊断试剂的发展提供了广阔的市场空间。

我们做了一个全球和中国诊断试剂的市场分析 ,如下图:

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我们从这些对比中可以知道 ,根据趋势生物试剂的比重将不断增大 。生物试剂是活性物质,主要为蛋白类产品,其特点是对温度特别敏感,非常不稳定,相互间容易起反应。由于具有以上这些特点,生物药剂的生命周期短,需要低温储存,全程冷链运输,储藏寿命非常短,所以使用成本很高,风险无法把控等缺点。生物试剂的稳定性是成了这个行业的关键因素。冷冻干燥技术就是一个非常理想的选择。


冻干型试剂的优势

冷冻干燥技术在医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质领域已经广泛应用,并且开始逐渐应用于诊断试剂中。从国外的这个行业发展来看,未来冻干剂型的试剂会越来越多 。 冷冻干燥的优势:

1、结构稳定;

2、 生物活性基本不变;

3 、药物中的易挥发性成分和受热易变性成分损失很少;

4 、呈多孔状,复水性好,药效好;

5、排除了95%~99%的水分,能在室温或冰箱内长期保存;

6、 真空下操作,氧气极少,易氧化的物质(如油脂类)得到保护;

由于冻干技术的明显优势,被越来越多的制剂厂商认可,所以我们2015~2016年,接了十几个诊断试剂相关的冻干项目 ,从这些实验过程,我们发现了几个障碍其发展的几个问题

1.诊断试剂测试的特殊性造成了试剂盒的材料和形状千差万别(如下图),目前没有一款通用冻干机能适用于各种试剂盒。   

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▲各种形状与材料的试剂盒


2.  试剂盒一般由隔热材料制成,热传递效应差,在冻干过程,工艺非常难控制,预冻结过程中,溶质效应和机械效应导致了活性物质的失活。

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综上原因,解决试剂盒塑料的热传递效率慢和在预冻过程中的结晶控制,保护制品活性将是我们攻克冻干工艺在诊断试剂领域的应用的两大关键技术壁垒。


冻干过程中失活的原因

冻干型试剂的优势如此明显但还没不能普及的主要原因是:冻干效率低;在冻干过程中活性物质容易失去活性。在本篇中主要通过实验发现造成活性物质失活的两大关键因素:机械效应和溶质效应。我们在公司的冻干实验室做了大量的实验。冻干实验室的主要科研设备有:实验室冻干机,冻干显微镜,共晶点测试仪等。我们在实验室中做了海量的实验,累计了大量的实验数据。最后透过科学的数据分析,发现了一个关键时间节点。在冻干机降温过程中,当温度达到溶液的共晶点时 (共晶点是指物料中水分完全冻结成冰晶时的温度),溶液中开始有晶核形成,在晶核逐渐扩大过程中,溶液的液体体积逐步减少,溶液的浓度不断升高,由于渗透作用,水分不断从活性物质中渗透至溶液中,开始脱水失去活性。


另一主要失活原因是溶液由液态转为固态的结晶过程中,晶核分布不一致,导致溶液不是同时结晶,而是由一个点向四周分散,由于液态与固态的体积不同,容易产生分层或者活性物质受到不同方位的挤压力或者应力等力学因素,同样也是活性物质的失活的主要原因。


所以只有溶液温度迅速下降,瞬时穿透晶点时,溶液由液态瞬时转化为固态时,才能避免上述两大问题的产生,提高试剂的活性。冻干机的核心技术之一就是控制热传递,热传递分为三种:热传导、热辐射、热对流,在冻干机内以热传导为主。如下图:

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由于诊断试剂通常使用塑料试剂盒,塑料的导热性比玻璃差,虽然冻干机的板层温度能迅速降温,但试剂瓶中的溶液受热传递影响无法迅速降温,导致了以上的一系列的问题的产生,影响了产品的活性。解决冻干机内热传递的低效率和对预冻过程中的结晶控制将是我们提高试剂活性物质的存活率的关键。在下篇中将推出我们的一项关键专利技术——爆破式瞬时穿透晶点技术,该技术能在瞬间使冻干机内的试剂温度下降,使溶液瞬间结晶,保证试剂的生物活性。


爆破式瞬时穿透晶点技术与冻干珠

在上篇中提到的导致试剂在冻干过程中失活的两大主要重要因素,一是溶质效应:在结晶时由于水结晶,导致溶液浓度变化,生命物质脱水失活。二是机械效应在溶液由液态转为固态的结晶过程中,容易产生分层或者活性物质受到不同方位的挤压力或者应力等力学因素导致失活。只有使溶液温度迅速下降,瞬时穿透晶点时,溶液由液态瞬时转化为固态时,才能避免上述两大问题的产生,提高试剂的活性。


针对于装在试剂盒中的诊断试剂,我们研发了爆破式瞬时穿透晶点技术,该技术已经申请国家专利,基本原理是:将冻干机内加压,并降温至溶液的共晶点附近,稳定一段时间使溶液温度降至与板层同一温度,然后打开排气阀,压缩气体瞬间释放带走热能,瞬间降温,穿过溶液的共晶点。这个技术不但可以用于诊断试剂,也可以应用在标准的冻干机上,这将是个革命性技术。

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▲瞬时爆破结晶示意图


爆破式瞬时穿透晶点技术完整解决了冻干技术在诊断试剂中的运用,我们在实验过程中开拓思路,结合我们在去年接到的一个基因芯片技术咨询服务,开发研制了冻干珠(球)技术,这将是一个革命性的冻干技术,首先将试剂溶液通过定量泵输送到脉冲控制器中,再通过滴液管精确滴入特殊的冷冻剂中,液体迅速凝结成一个个定量的冰珠。再把盛有冰珠的容器进行水的升华,形成冻干珠。


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▲冻干珠原理示意图

                       

将溶液精确冻干成珠状,该冻干珠非常稳定而且相互不起反应,多个冻干珠可以包装在同一个输送装置中。与以前使用单一玻璃血清瓶作为包装容器相比,这就给产品的设计带来巨大的灵活性。


目前该技术在国外有类似原理的应用设备,但该技术对药液的配方有要求,配方改变设计到层面较多。目前我们基本解决了设备技术的问题,并完成了一些数据测试,下一步将对该设备进行工艺处方实验及测试以及系统的风险评估。


由于这项技术涉及到制剂配方方面的技术,我们也希望制剂公司一起参与开发,规划在明年内逐一解决。这项技术会给行业带来巨大的变革,尤其是对诊断试剂领域,试剂冻干成微球,制剂活性更有效的保存、并且冻干效率、交叉污染、包装形式,都得到有效解决。


一次性无菌冻干密闭膜盒

诊断试剂采用冻干粉针方式,可避免冷链运输,并且常温保存条件即可。而试剂盒不利于冻干,是其没有得到广泛应用的因素之一,上文提到爆破式瞬间穿透晶点技术可以改善这个问题,但依然有一个痛点:交叉污染问题,交叉污染会对试剂的准确性产生影响,对诊断试剂来说是不可接受的。


在制剂过程和包装过程中都存在着极高的交叉污染风险。冻干剂型有很大的优势,但包装过程中粉体的交叉污染要远大于液体剂型,这个因素也是障碍冻干型试剂发展原因之一。我们上文提到冻干珠可以解决这个问题,但是需要较高的设备投入,并且剂型配方需要做调整,这需要一定的周期才能完成,因此虽然冻干珠的形式是非常理想的形式,但需要成本和周期都相对较长。


简逸生物开发了一次性无菌冻干膜盒,并取得了国家发明专利,实现低成本、高效率的解决上述问题。

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▲冻干过程中的一次性无菌冻干膜盒


该冻干托盘是全封闭的,一次性使用的无菌容器。上层膜采用一种独特的疏水性超微孔膜技术来防止交叉污染和粉尘飞出,并能够在冻干过程中实现水蒸汽的自由交换,确保了高效率的冻干,还提供了一个屏障防止产品交叉污染。下层膜是柔韧膜,与冻干板层紧密贴合,实现高效均衡的热传递。一次性无菌冻干膜盒的材质表面具有化学惰性,不会与药品产生相容。该膜盒操作简单,设计了一个特殊的密封盖,将药液注入膜盒,旋紧后实现完全密封,在转移过程和冻干过程都是密闭的。冻干过程盒子内部形成相对正压的状态,完全避免了交叉污染风险。出箱后也同样,药品在密闭的盒子中,最大的防止了交叉污染风险和无菌风险。我们会根据用户试剂盒的形式配套一次性隔离灌装装置,在隔离的条件下撕开膜盒,进行定量分装,完全解决交叉污染问题。


盘冻后进行分装,生产的每批试剂量比直接采用试剂盒冻干的产量要高出很多,成本和效率都得以明显的提高。


一次性无菌冻干膜盒技术是一种低成本,并且高效率的技术,让诊断试剂做成冻干剂型变得非常简单,冻干粉针剂不需要冷链运输,并且保存条件简单,对产品成本和风险都得到了很好控制,同时给用户带来极高产业效率。


本文由上海简逸生物技术有限公司创始人吴小峰先生供稿,如对本文内容敢兴趣,欢迎联系我们。


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    冻干技术在诊断试剂中的运用

    随着全球经济的发展,全球卫生医疗得到了快速发展,精准医疗成为热点课题,从而带动诊断行业发展壮大。诊断试剂产业已成为当今世界上最活跃、发展最快的行业之一。 我国有14亿人口,占世界总人口的22%,随着人民群众收入的增加和生活标准的提高,人们对健康和医疗品质又有了更高的需求。体外诊断试剂产业市场潜力巨大。目前,我国有18000多家医院、300多个血站,同时,数以千计的体检中心以及数以百计的独立实验室正如雨后春笋般异军突起,一些独立的医学检验实验室也逐步兴起,这为体外诊断试剂的发展提供了广阔的市场空间。

    我们做了一个全球和中国诊断试剂的市场分析 ,如下图:

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    我们从这些对比中可以知道 ,根据趋势生物试剂的比重将不断增大 。生物试剂是活性物质,主要为蛋白类产品,其特点是对温度特别敏感,非常不稳定,相互间容易起反应。由于具有以上这些特点,生物药剂的生命周期短,需要低温储存,全程冷链运输,储藏寿命非常短,所以使用成本很高,风险无法把控等缺点。生物试剂的稳定性是成了这个行业的关键因素。冷冻干燥技术就是一个非常理想的选择。


    冻干型试剂的优势

    冷冻干燥技术在医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质领域已经广泛应用,并且开始逐渐应用于诊断试剂中。从国外的这个行业发展来看,未来冻干剂型的试剂会越来越多 。 冷冻干燥的优势:

    1、结构稳定;

    2、 生物活性基本不变;

    3 、药物中的易挥发性成分和受热易变性成分损失很少;

    4 、呈多孔状,复水性好,药效好;

    5、排除了95%~99%的水分,能在室温或冰箱内长期保存;

    6、 真空下操作,氧气极少,易氧化的物质(如油脂类)得到保护;

    由于冻干技术的明显优势,被越来越多的制剂厂商认可,所以我们2015~2016年,接了十几个诊断试剂相关的冻干项目 ,从这些实验过程,我们发现了几个障碍其发展的几个问题

    1.诊断试剂测试的特殊性造成了试剂盒的材料和形状千差万别(如下图),目前没有一款通用冻干机能适用于各种试剂盒。   

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    ▲各种形状与材料的试剂盒


    2.  试剂盒一般由隔热材料制成,热传递效应差,在冻干过程,工艺非常难控制,预冻结过程中,溶质效应和机械效应导致了活性物质的失活。

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    综上原因,解决试剂盒塑料的热传递效率慢和在预冻过程中的结晶控制,保护制品活性将是我们攻克冻干工艺在诊断试剂领域的应用的两大关键技术壁垒。


    冻干过程中失活的原因

    冻干型试剂的优势如此明显但还没不能普及的主要原因是:冻干效率低;在冻干过程中活性物质容易失去活性。在本篇中主要通过实验发现造成活性物质失活的两大关键因素:机械效应和溶质效应。我们在公司的冻干实验室做了大量的实验。冻干实验室的主要科研设备有:实验室冻干机,冻干显微镜,共晶点测试仪等。我们在实验室中做了海量的实验,累计了大量的实验数据。最后透过科学的数据分析,发现了一个关键时间节点。在冻干机降温过程中,当温度达到溶液的共晶点时 (共晶点是指物料中水分完全冻结成冰晶时的温度),溶液中开始有晶核形成,在晶核逐渐扩大过程中,溶液的液体体积逐步减少,溶液的浓度不断升高,由于渗透作用,水分不断从活性物质中渗透至溶液中,开始脱水失去活性。


    另一主要失活原因是溶液由液态转为固态的结晶过程中,晶核分布不一致,导致溶液不是同时结晶,而是由一个点向四周分散,由于液态与固态的体积不同,容易产生分层或者活性物质受到不同方位的挤压力或者应力等力学因素,同样也是活性物质的失活的主要原因。


    所以只有溶液温度迅速下降,瞬时穿透晶点时,溶液由液态瞬时转化为固态时,才能避免上述两大问题的产生,提高试剂的活性。冻干机的核心技术之一就是控制热传递,热传递分为三种:热传导、热辐射、热对流,在冻干机内以热传导为主。如下图:

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    由于诊断试剂通常使用塑料试剂盒,塑料的导热性比玻璃差,虽然冻干机的板层温度能迅速降温,但试剂瓶中的溶液受热传递影响无法迅速降温,导致了以上的一系列的问题的产生,影响了产品的活性。解决冻干机内热传递的低效率和对预冻过程中的结晶控制将是我们提高试剂活性物质的存活率的关键。在下篇中将推出我们的一项关键专利技术——爆破式瞬时穿透晶点技术,该技术能在瞬间使冻干机内的试剂温度下降,使溶液瞬间结晶,保证试剂的生物活性。


    爆破式瞬时穿透晶点技术与冻干珠

    在上篇中提到的导致试剂在冻干过程中失活的两大主要重要因素,一是溶质效应:在结晶时由于水结晶,导致溶液浓度变化,生命物质脱水失活。二是机械效应在溶液由液态转为固态的结晶过程中,容易产生分层或者活性物质受到不同方位的挤压力或者应力等力学因素导致失活。只有使溶液温度迅速下降,瞬时穿透晶点时,溶液由液态瞬时转化为固态时,才能避免上述两大问题的产生,提高试剂的活性。


    针对于装在试剂盒中的诊断试剂,我们研发了爆破式瞬时穿透晶点技术,该技术已经申请国家专利,基本原理是:将冻干机内加压,并降温至溶液的共晶点附近,稳定一段时间使溶液温度降至与板层同一温度,然后打开排气阀,压缩气体瞬间释放带走热能,瞬间降温,穿过溶液的共晶点。这个技术不但可以用于诊断试剂,也可以应用在标准的冻干机上,这将是个革命性技术。

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    ▲瞬时爆破结晶示意图


    爆破式瞬时穿透晶点技术完整解决了冻干技术在诊断试剂中的运用,我们在实验过程中开拓思路,结合我们在去年接到的一个基因芯片技术咨询服务,开发研制了冻干珠(球)技术,这将是一个革命性的冻干技术,首先将试剂溶液通过定量泵输送到脉冲控制器中,再通过滴液管精确滴入特殊的冷冻剂中,液体迅速凝结成一个个定量的冰珠。再把盛有冰珠的容器进行水的升华,形成冻干珠。


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    ▲冻干珠原理示意图

                           

    将溶液精确冻干成珠状,该冻干珠非常稳定而且相互不起反应,多个冻干珠可以包装在同一个输送装置中。与以前使用单一玻璃血清瓶作为包装容器相比,这就给产品的设计带来巨大的灵活性。


    目前该技术在国外有类似原理的应用设备,但该技术对药液的配方有要求,配方改变设计到层面较多。目前我们基本解决了设备技术的问题,并完成了一些数据测试,下一步将对该设备进行工艺处方实验及测试以及系统的风险评估。


    由于这项技术涉及到制剂配方方面的技术,我们也希望制剂公司一起参与开发,规划在明年内逐一解决。这项技术会给行业带来巨大的变革,尤其是对诊断试剂领域,试剂冻干成微球,制剂活性更有效的保存、并且冻干效率、交叉污染、包装形式,都得到有效解决。


    一次性无菌冻干密闭膜盒

    诊断试剂采用冻干粉针方式,可避免冷链运输,并且常温保存条件即可。而试剂盒不利于冻干,是其没有得到广泛应用的因素之一,上文提到爆破式瞬间穿透晶点技术可以改善这个问题,但依然有一个痛点:交叉污染问题,交叉污染会对试剂的准确性产生影响,对诊断试剂来说是不可接受的。


    在制剂过程和包装过程中都存在着极高的交叉污染风险。冻干剂型有很大的优势,但包装过程中粉体的交叉污染要远大于液体剂型,这个因素也是障碍冻干型试剂发展原因之一。我们上文提到冻干珠可以解决这个问题,但是需要较高的设备投入,并且剂型配方需要做调整,这需要一定的周期才能完成,因此虽然冻干珠的形式是非常理想的形式,但需要成本和周期都相对较长。


    简逸生物开发了一次性无菌冻干膜盒,并取得了国家发明专利,实现低成本、高效率的解决上述问题。

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    ▲冻干过程中的一次性无菌冻干膜盒


    该冻干托盘是全封闭的,一次性使用的无菌容器。上层膜采用一种独特的疏水性超微孔膜技术来防止交叉污染和粉尘飞出,并能够在冻干过程中实现水蒸汽的自由交换,确保了高效率的冻干,还提供了一个屏障防止产品交叉污染。下层膜是柔韧膜,与冻干板层紧密贴合,实现高效均衡的热传递。一次性无菌冻干膜盒的材质表面具有化学惰性,不会与药品产生相容。该膜盒操作简单,设计了一个特殊的密封盖,将药液注入膜盒,旋紧后实现完全密封,在转移过程和冻干过程都是密闭的。冻干过程盒子内部形成相对正压的状态,完全避免了交叉污染风险。出箱后也同样,药品在密闭的盒子中,最大的防止了交叉污染风险和无菌风险。我们会根据用户试剂盒的形式配套一次性隔离灌装装置,在隔离的条件下撕开膜盒,进行定量分装,完全解决交叉污染问题。


    盘冻后进行分装,生产的每批试剂量比直接采用试剂盒冻干的产量要高出很多,成本和效率都得以明显的提高。


    一次性无菌冻干膜盒技术是一种低成本,并且高效率的技术,让诊断试剂做成冻干剂型变得非常简单,冻干粉针剂不需要冷链运输,并且保存条件简单,对产品成本和风险都得到了很好控制,同时给用户带来极高产业效率。


    本文由上海简逸生物技术有限公司创始人吴小峰先生供稿,如对本文内容敢兴趣,欢迎联系我们。