不同降溫速率對脂質體懸浮液結晶的影響

利用自己研制的低溫顯微鏡研究脂質體凍結過程中的冰晶生長圖像。圖 6-16 是海藻糖濃度為 0.05g/mL 的脂質體懸浮液的慢速降溫過程的冰晶生長圖像，從圖中可以清晰地看出在此速率下形成的冰晶顆粒。圖 6-17 是快速降溫情況下的結晶圖像，與圖 6-16 相比，此時冰晶生長的速率非常快，在 1s 的時間內，冰晶已占據了顯微鏡的整個視野，凍結幾乎是在一瞬間完成的。可以看到此時形成的冰晶非常細膩，用肉眼已看不到冰晶顆粒。

結晶過程可以認為是由晶核形成和晶粒生長兩個過程組成的，分均相成核和異相成核。經乳化后的水溶液可避免發生異相成核，因此脂質體懸浮液的結晶屬均相成核。均相成核的晶核形成是由于溫度的下降，在液相內的熱起伏即能量和密度的隨機漲落，使其內的分子聚集而生成晶核，對于較稀的脂質體懸浮液則是水分子的聚集形成冰晶晶核。在通常的過冷度范圍內，隨著過冷度的增大，成核概率是隨著增大的，在較高的冷卻速率下，樣品的溫度下降快，樣品的凍結前已經達到了較低的溫度，因此具有較大的過冷度，成核概率高，生成了比慢速降溫時更多的晶核；同時由于在單位體積內的晶核數量多，冰晶的生長空間變得相對狹小，這樣就形成了圖 6-17 所示的快速降溫時的細膩的冰晶結構。

凍干保護劑濃度對脂質體懸浮液結晶的影響  

圖 6-18 是海藻糖濃度為 0.15g/mL 的脂質體懸浮液凍結時冰晶的形成過程。凍結過程的降溫速率與圖 6-17 所示的海藻糖濃度為 0.05g/ml 的脂質體懸浮液相當，由圖可見這時晶體的生長速率明顯低于圖 6-17 所示的海藻糖濃度為 0.05g/ml的脂質體懸浮液。顯然高濃度對冰晶的生長速率產生減慢的影響。

從冰晶生長的動力學過程來說，晶體要生長，則水分子必須要穿過固液界面加入到晶格中。為達到這個目的，水分子就需要有適當的空間指向、位置及能量。對于水這種強極性分子，大部分是以水分子鏈的形式存在的，因此在固化時，冰晶的生長不僅存在單個分子的集合，同時還包含有水分子集團疊合，這就要求水分子集團也能有一個理想的狀態，使其能加人到品格中而不會在品格內產生應力。如果大部分的水分子集團具有這種理想狀態，冰晶就能快速生長。在高濃度的脂質體懸浮液中，大量的溶質分子的存在極大地干擾了水分子集團獲得這種理想狀態的能力，特別是在此時水分子較難獲得理想的空間指向，產生的結果就是降低了晶體生長的速率。比較圖 6-17 與圖 6-18 所示的冰晶生長圖像，可以看出隨著脂質體懸浮液中海藻糖濃度的增大，冰晶生長速率降低。

凍結過程的冰晶生長與凍干品質量之間的關系

利用程序降溫儀分別以20℃/min 和1℃/min 的降溫速率把海藻糖濃度為 0.1g/mL的脂質體凍結到-65℃，然后在凍干機中凍干。上述不同降溫速率的脂質體的凍干參數基本相同。凍干過程中真空度保持10Pa，在第一階段干燥過程中通過控制加熱板溫度防止脂質體溫度過高；同時由于脂質體中的自由水比較容易除去，此時冷阱溫度不需過低，在一60℃左右即可，在第二階段干燥過程中，脂質體中的結合水較難除去，為了縮短凍干時間，必須適當提高加熱板溫度，并降低冷阱溫度到-100℃左右，這樣便可增加脂質體與冷阱表面間的水蒸氣壓力差，水蒸氣的凝結速率也就越大。從圖 6-19 所示不同降溫速率的凍干脂質體外觀可以看出，降溫速率為 1℃/min 的凍干脂質體產生塌陷和斷裂，而降溫速率為 20℃/min的凍干脂質體外觀較好，將不同降溫速率的凍干脂質體復水后，利用TSM超細顆粒粒度分析儀測試凍干前后脂質體粒徑，如圖 6-20 所示。降溫速率為 20℃/min的凍干脂質體粒徑變化較小，而降溫速率為 1℃/min的凍干脂質體粒徑比凍干前增大，并且分布范圍變寬。

理論上在凍干過程中，樣品中大的冰晶不僅能加快熱量的傳遞，而且由于冰晶升華后形成大的孔洞，將有利于水蒸氣的逸出。但在相似的加熱板溫度和冷阱溫度下，在凍干過程中降溫速率為1℃/min 的脂質體凍干時間比降溫速率為 20℃/min的脂質體的凍干時間延長約40min。一方面是由于慢速降溫形成的表面濃縮層較厚，而在快速降溫過程中，冰晶細且生長速率快，濃縮的脂質體來不及移動就被凍結，因此表面沒有形成濃縮層。另一方面由于隨著凍于過程的進行，大的冰晶升華后留下的孔洞較大，形成的網狀骨架不能支承其本身的重量而塌陷，在表面形成硬殼，阻止水蒸氣的逸出，從而惡化了傳熱傳質，使凍干時間延長，同時也使脂質體的粒徑增大，降低了凍干脂質體的臨床應用效果。

快速降溫的脂質體的冰晶比較細膩，表面沒有濃縮層，并且冰晶升華后形成致密的網狀結構，能夠支承本身的重量而不塌陷，水蒸氣能順利逸出，因此快速降溫不僅能減少凍干時間，而且凍干脂質體復水后囊泡的粒徑變化較少。