疫苗的冻干离不开冻干机。冻干机主要由干燥箱体、制冷系统、加热系统、真空系统、控制系统等组成[16]，一个经典的冻干机结构如图2所示。在保证制品质量的前提下，选用合适的冻干机，可以实现经济效益和实用效果的双赢[17]。
1.3疫苗的冻干步骤
疫苗的冻干工艺可基本概括为：预冻、升华干燥（又称第一阶段干燥）、解析干燥（又称第二阶段干燥）和包装四步骤：
（1）预冻阶段：预冻是将疫苗药液的温度迅速降低至其共晶点之下，从而在低温环境下将药液冻结成固体，目的是保护疫苗的理化性能和生物学性能，并为接下来的升华干燥做好准备[18]。共晶点就是其内部不同成分同时析出固体结晶时的混合物的温度，不同制剂的共晶点各不相同。一般来说，预冻阶段要在1~3小时完成[19]，并且其冻结温度要比共晶点温度低5~10℃[本文由药研公众号整理排版]。
（2）升华干燥（第一阶段干燥）：升华干燥是在抽真空的状态下，对疫苗制剂中的冰通过升华的方式来移除，是冷冻干燥的主要过程。升华干燥先是个恒温减压过程，而后在维持真空的条件下，通过加热使冰升华逸出，是个恒压升温过程[20]。整个升华过程中，不允许冰出现熔化，否则会造成冻干失败。
（3）解析干燥（第二阶段干燥）：升华干燥完成后，药剂内所有的冰已逸出，但还留有未冻结的残余水分。为保证疫苗冻干制剂在存储期间的稳定性，解析干燥就是要把残余水分进一步降低，得到最终的疫苗干粉[21]。由于需要更高的能量才能去除结合水，因此解析干燥也是一个恒压升温过程。
1.4冻干疫苗的优缺点
冻干疫苗的优点是[23，24]：
（1）疫苗制剂在预冻前完成分装，从而保证了剂量的精确性；
（2）由于冻干是在真空和低温状态下完成的，因此不易发生氧化和热变性，可以最大限度地保持疫苗的理化性质和生物特性；
（3）固态的冰晶升华成为水蒸气后形成的疏松多孔（海绵状）结构，使冻干疫苗具有极好的速溶性和复水性，可迅速吸水溶解，恢复其原有特性；
（4）冻干疫苗易进行无菌化操作，污染相对减少，临床应用效果好，过敏等副作用少；
1.5常见冻干疫苗
由于冻干疫苗有着明显的优点，因此越来越多的疫苗采用冻干剂型。2020年7月2日，国家药品监督管理局、国家卫生健康委员会发布公告，正式颁布2020年版《中华人民共和国药典》。
在新版《中国药典（三部）》中，共记录有21种冻干疫苗（含口服型和注射型）[26]，作者现将这些疫苗筛选出来并列于表1，以供读者参考。
2影响冻干疫苗质量的因素
一般来说，影响疫苗质量的因素，主要是保护剂的选择和冻干参数的设计。
2.1保护剂的选择
疫苗制品在整个冻干过程中存在的各种应力，包括冻结应力、低温应力、干燥应力等，这些应力在一定程度上会导致疫苗发生变性。为了减少疫苗在冻干过程中的损伤，需要在冻干前加入合适的保护剂，以尽可能地保护疫苗的稳定性和免疫原性。在疫苗中常见的保护剂，主要有糖、醇、氨基酸、聚合物、无机盐、蛋白质、表面活性剂等。这些保护剂在冷冻阶段发挥保护作用的为冷冻保护剂，而在干燥阶段发挥保护作用的为冻干保护剂。常见的各种保护剂如表2所示。
2.1.1糖类
糖是冻干疫苗中最普遍的一类保护剂，是蛋白质的非特异性稳定剂。疫苗的蛋白质分子中存在大量的氢键，水分子通过氢键和蛋白质分子相连接。在冻干过程中，糖类代替水分子，通过氢键与蛋白质上的亲水基团相结合。糖的保护作用与糖的种类、含量以及蛋白质的种类等有关[27]。在糖类中，蔗糖和海藻糖是目前公认的最有效的保护剂[28][本文由药研公众号整理排版]。
2.1.2醇类
醇类也是一类常见的保护剂，其保护机理与糖类相似：醇类的羟基能替代蛋白质表面水分子的羟基，从而在蛋白质表面形成一层假定的水化膜，稳定了蛋白质的结构，防止蛋白质在冻干过程中发生变性[28-30]。
2.1.3氨基酸
在冷冻过程中，氨基酸作为保护剂，其主要作用是提升制品的塌陷温度，防止因塌陷而破坏蛋白质的结构[28-30]。
2.1.4聚合物
2.1.5蛋白质
2.1.6缓冲剂
许多病毒的蛋白质结构耐受的pH值范围比较窄。因此，在制品中加入适当的pH缓冲剂尤为必要。在实际使用中，应根据病毒或蛋白质特性及适合的pH范围来确定缓冲剂[31]。
2.1.7抗氧化剂
抗氧化剂是有着自由基清除功能的化合物，也是一种还原剂。抗氧化剂能够消耗氧或抑制氧化活性，防止冻干疫苗在贮存期间变质失活[29，31]。
2.1.8表面活性剂
在冷冻阶段形成冰-水界面会吸附蛋白质，这会破坏蛋白质的天然褶皱结构并导致其变性。加入表面活性剂可减少蛋白质的聚集，从而对蛋白质起到较好的保护作用[30，31]。
2.1.9填充剂
填充剂既可防止活性组分随着水蒸气一同升华逸散，又可为冻干产品提供机械支撑作用。如配方中含有填充剂，常常需要在预冻阶段增加退火步骤以保证结晶完全[31]。
事实上，单独一种保护剂对疫苗的保护作用有限，为了使上述各类保护剂发挥其各自的作用，通常是采用两种以上的保护剂按照比例配制后使用[32]。对于不同的疫苗，其理化性质不同，因此所使用的保护剂配方也不同。筛选配方是疫苗研发中的重要一环，这通常需要进行大量的试验，从而获得复溶速率快，性能良好，质量稳定，成本较低的冻干疫苗配方。另外，配方里的固体含量会影响预冻以及干燥阶段。若固体含量小于2%，冻干结构的机械性能则会不稳定，由于缺少骨架支撑，产品外观可能会塌陷；并造成干燥过程中不能被粘在基质上的制品微粒，被逸出的水蒸气带到容器的塞子上，甚至会被带入真空室中造成污染。如果固体含量太多，不仅会影响配制时的溶解性及冻干后的复溶性，还会增加生产成本。因此，为获得均一稳定的冻干疫苗，需要将配方中的固体物质含量控制在合适范围内[33]。
2.2冻干参数的设计
2.2.1预冻阶段的影响因素
2.2.1.1冻结方式的影响
冻结方式可分为全域过冷结晶与定向结晶两类。不同的冻结方式会产生不同的冰晶形态和大小，亦会影响到制剂的干燥速率和冻干质量，所以运用好冻结方式显得尤为重要。全域过冷结晶是指全部溶液处于相近或相同的过冷温度下进行冻结的方式，按冻结速率的快慢可分为慢速冻结（每分钟降温1℃）和快速冻结（每分钟降温10~15℃）两种。在全域过冷结晶中，冰晶成核温度和冻结速率是重要的参数。定向结晶是指一小部分溶液在过冷状态下进行冻结的方式。通常，采取定向结晶方式冻结的药液其干燥速率比全域过冷结晶的快。但无论采取哪种冻结方式，药液必须确保部分或全部实现玻璃化冻结，以保证其药性[34-37]。
2.2.1.2冻结速率的影响
冻结速率的快慢对冻结出的晶粒大小和升华速率等均有直接的影响[38]。慢速冻结的冰晶较大，产品外观粗糙，存在冻结浓缩现象；其内部蒸气逸出通道尺寸较大，故升华速率快，但解析速率慢。快速冻结的冰晶较小，且没有冻结浓缩现象，加水复原时溶解快；但是升华阻力较大，存在不完全冻结现象，故升华速率慢[34-36]。
2.2.1.3冻结温度的影响
冻结温度根据预冻方法及样品性质的不同而有所差异。一般来说，冻结温度与药液的共晶点有关，安全的冻结温度应低于其共晶点10℃左右。若冻结温度太低，则会浪费能源[34，35]。
2.2.1.5退火的影响
2.2.2升华干燥阶段的影响因素
2.2.2.1升华温度的影响
2.2.2.2箱内压强的影响
箱内压强过高时，药品吸收的热量会增加，药品自身温度会上升，当温度高于共熔点温度时，药品会熔化导致冻干失败；箱内压强过低时，不利于传热，药品升华速率反而会降低，亦会增加生产成本。一般来说，箱内压强控制在10~30Pa时，不仅有利于热量的传递，还有助于升华的进行[35-39]。
2.2.2.3冷阱温度的影响
冷冻干燥中制品和冷阱间的温差是水升华的驱动力，升华出的水分通过冷阱来捕集。由于药品温度受共熔点温度等因素的限制，因此应尽可能降低冷阱温度。一般来说，升华干燥过程中冷阱温度至少应低于物料温度20℃[34，37]。
2.2.2.4升华速率的设计
2.2.3解析干燥阶段的影响因素
综上可知，冻干操作中每个阶段的参数设计都直接关系着冻干疫苗的质量，且不同的疫苗产品也有不同的冻结和干燥特性，因此应在上述设计原理的基础上，进一步开展个体研究，优化冻干曲线，提高干燥速率，降低能耗[41]。
3结论与展望
冻干疫苗的研发与生产，关系到人民群众的身体健康。冻干参数和保护剂配方的设计，对冻干疫苗的质量起着至关重要的作用。作者认为，基于已有冻干疫苗的生产工艺，并结合新冠疫苗自身的特点，可以加速摸索出适合新冠疫苗的冻干工艺路线。随着我国对新冠疫苗研发的不断深入，相信在不久的将来，具有自主知识产权的冻干型新冠疫苗也将相继面世，从而更好地为人民健康提供保障。