隨著體外診斷（IVD）行業(yè)的迅速發(fā)展，對診斷試劑行業(yè)在運(yùn)輸和數(shù)量上提出了新的挑戰(zhàn)。凍干法診斷試劑能夠有效避免冷鏈運(yùn)輸?shù)膯栴}，但其產(chǎn)能較低、能耗較高，這在一定程度上限制了其推廣速度，迫切需要新的工藝路線來改進(jìn)。新型凍干診斷試劑微球不僅解決了凍干診斷試劑無需冷鏈運(yùn)輸?shù)膯栴}，還在產(chǎn)能、效率、能耗等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，有望在一定程度上取代現(xiàn)有的原位凍干診斷試劑形式。然而，凍干診斷試劑微球的生產(chǎn)工藝配套仍在持續(xù)的探索與優(yōu)化中。本文將重點(diǎn)闡述其生產(chǎn)過程中的注意事項(xiàng)以及配套設(shè)備的保障，期望能為計(jì)劃建設(shè)凍干診斷試劑微球生產(chǎn)線的企業(yè)提供有價值的參考。

 

1.體外診斷試劑行業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

 

1.1IVD行業(yè)發(fā)展概況

 

隨著體外診斷（IVD）行業(yè)的迅速發(fā)展，通過分子、即時檢測（POCT）和免疫等多種方法學(xué)推出的體外檢測試劑，已成為控制疫情的關(guān)鍵工具[1-2]。

 

各種方法學(xué)的 IVD 試劑通常包含核酸、抗原、抗體和酶等生物大分子[3]，這些生物活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能易受溫度影響而失活，這給檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來了挑戰(zhàn)。因此，診斷試劑在存儲和運(yùn)輸過程中對溫度控制有著嚴(yán)格的要求。更高效的生產(chǎn)工藝、更卓越的試劑穩(wěn)定性和更低的運(yùn)輸成本，將對整個行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

 

1.2診斷試劑常見形式

 

體外診斷試劑，以分子診斷試劑為例，通常分為液相和固相兩種形式。固相形式又細(xì)分為原位凍干和凍干微球型，如圖1、圖2 和圖3 所示。液相形式的體外診斷試劑通常需要冷鏈運(yùn)輸和冷藏工藝，這不僅增加了運(yùn)營成本，還可能對產(chǎn)品質(zhì)量造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。原位凍干技術(shù)解決了冷鏈運(yùn)輸問題，使得診斷試劑可以在常溫下運(yùn)輸，但包材間的間隙、試劑盒與凍干板層的不匹配、試劑盒及包材的不良熱傳導(dǎo)性、復(fù)雜的進(jìn)出料工藝等問題，在一定程度上限制了原位凍干的產(chǎn)能、利潤及推廣。新型凍干診斷試劑微球不僅解決了凍干診斷試劑無需冷鏈運(yùn)輸?shù)膯栴}，還在產(chǎn)能、效率、能耗等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，有望在一定程度上替代現(xiàn)有的原位凍干診斷試劑形式。

 

圖1 液相型

圖2 原位凍干

 

圖3 凍干微球

 

三種形式的診斷試劑各有其優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)對比見表1，具體內(nèi)容將在后續(xù)文中詳細(xì)闡述。

表1 三種形式診斷試劑對比表

 

2.凍干診斷試劑微球生產(chǎn)工藝流程

 

凍干診斷試劑微球的生產(chǎn)涉及將微量診斷試劑料液迅速凍結(jié)成均勻的顆粒，隨后通過凍干機(jī)進(jìn)行干燥處理，最后利用特制的分裝器快速分裝到容器內(nèi)，從而獲得微球凍干制品。

 

2.1生產(chǎn)工藝流程梳理

 

凍干[4]，也稱為真空冷凍干燥，是在物料凍結(jié)的狀態(tài)下，在真空環(huán)境中進(jìn)行，使物料中的水分直接升華，以達(dá)到干燥的目的。經(jīng)過凍干處理后，水汽升華通道使得制品形成疏松多孔態(tài)，具有良好的復(fù)水性，如圖4 所示。凍干是目前針對溫度敏感產(chǎn)品的最理想干燥方式，復(fù)水后，可以有效恢復(fù)其理化特性。

 

圖4 凍干物料疏松多孔狀

鑒于凍干的特性，凍干過程不會改變物料的形態(tài)。因此，為了形成球形顆粒態(tài)，必須在凍干前引入滴珠制粒設(shè)備，使診斷試劑料液在凍干前形成球形，并在凍干機(jī)內(nèi)維持其形態(tài)進(jìn)行干燥，如圖5 所示。凍干后，診斷試劑微球通過專業(yè)分裝設(shè)備快速完成分裝。

圖5 凍干診斷試劑微球電鏡照片

 

2.2生產(chǎn)工藝流程

 

經(jīng)過梳理的凍干診斷試劑微球生產(chǎn)工藝流程如下：

 

● 配料 / 配液：配置診斷試劑料液；

● 滴珠制粒：將診斷試劑料液速凍成定量的微球顆粒；

● 凍干：將滴珠制粒的微球進(jìn)行升華干燥；

● 分裝：將凍干后的診斷試劑微球分裝到包材內(nèi)；

● 密封：對分裝凍干診斷試劑微球的包材進(jìn)行鋁箔袋封口；

● 后道包裝：將最終成品裝盒、裝箱、碼垛。

 

3.凍干診斷試劑微球產(chǎn)線

 

根據(jù)前文所述的制備工序，凍干診斷試劑微球生產(chǎn)線可細(xì)分為上游設(shè)備、核心設(shè)備以及下游設(shè)備。核心設(shè)備主要負(fù)責(zé)將凍干診斷試劑微球從原料液轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品。生產(chǎn)線布局如圖6 所示。

 

圖6 凍干診斷試劑生產(chǎn)線

 

3.1配液系統(tǒng)及配方設(shè)計(jì)

 

凍干診斷試劑微球產(chǎn)線的配液系統(tǒng)及其配方設(shè)計(jì)構(gòu)成了整個生產(chǎn)線的前端工序。鑒于當(dāng)前的生產(chǎn)規(guī)模，該配液系統(tǒng)呈現(xiàn)出小型化的特征，單批產(chǎn)能主要控制在 5L 以下。在設(shè)計(jì)凍干診斷試劑微球產(chǎn)線的配液系統(tǒng)及處方時，需考慮以下因素：

 

（1）在滴珠制粒過程中，液氮速凍及液氮環(huán)境冷藏（-196℃）的條件與傳統(tǒng)的原位凍干 ( 一般不低于 -45℃)存在顯著差異。因此，處方中冷凍保護(hù)劑的選擇及其配比對最終診斷試劑的效果具有重大影響。在從原位凍干轉(zhuǎn)向診斷試劑微球的過程中，需要特別關(guān)注。即使是相同的有效成分，不同的冷凍保護(hù)劑配比也可能導(dǎo)致凍干微球產(chǎn)品的效果截然不同。如圖7所示，1號配方在冷凍過程中出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，且凍干時出現(xiàn)萎縮，而 5 號配方則表現(xiàn)較為理想。

圖7 不同冷凍保護(hù)劑的效果

（2）在凍干后，診斷試劑微球相較于原位凍干，需要增加分裝工序，其理化性質(zhì)決定了分裝速度和可靠性。如果凍干微球過輕，會導(dǎo)致分裝過程中產(chǎn)生靜電，還可能導(dǎo)致粘連容器、跳球、以及微球極易破碎等問題，這些都會嚴(yán)重影響分裝效果。因此，適當(dāng)提高診斷試劑的固含量，有助于改善凍干微球的分裝過程。

（3）凍干后的制品具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。大規(guī)模的凍干微球生產(chǎn)線，自然需要一定的分裝時間。如果產(chǎn)品極易吸潮，將對最終產(chǎn)品的特性產(chǎn)生影響。因此，在配液及處方開發(fā)過程中，需要考慮進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以減少產(chǎn)品的吸潮特性。

（4）添加劑和保護(hù)劑是輔助手段，它們不應(yīng)影響診斷試劑的最終性能。應(yīng)以試劑的最終效能為指導(dǎo)，這可能需要大量的實(shí)驗(yàn)來探索。

 

3.2滴珠制粒

 

常規(guī)單人份凍干診斷試劑微球的體積通常集中在 10 ～ 25 μl/顆，個別產(chǎn)品可達(dá)50μl/顆。體積與顆粒大小的對應(yīng)關(guān)系詳見表2。對于 10 μl 以下的診斷試劑微球，保證顆粒均一度是一個挑戰(zhàn)，對滴珠制粒設(shè)備提出了較高的要求；對于 30 μl 以上的診斷試劑微球，在液氮速凍過程中防止炸裂（圖8）和分散，同樣對液態(tài)診斷試劑的處方開發(fā)提出了嚴(yán)格要求。

 

表2 滴珠體積和微球直徑關(guān)系

圖8 速凍時炸裂

（1）產(chǎn)能：滴珠制粒機(jī)作為生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高效的滴珠制粒作業(yè)。對于 8 通道制粒機(jī)來說，其每小時的產(chǎn)量可達(dá)到 2 ～ 3 萬顆，這一數(shù)字取決于精度要求、顆粒大小以及料液特性等因素。

（2）速凍：盡管滴珠制粒涉及將診斷試劑料液滴入 -196℃液氮中進(jìn)行冷凍，但這一過程也難以實(shí)現(xiàn)所謂的“瞬間冷凍”，特別是對于大尺寸的顆粒。通常情況下，凍結(jié)過程可能需要持續(xù)10 ～ 30 s。在速凍完成之前，液滴會浮在液氮表面，如圖 9 所示。速凍一旦完成，液滴便會沉入液氮底部。多個未完成速凍的“液滴”在相互接觸時，會發(fā)生粘連，如圖 10 所示，這將影響該診斷試劑微球的精度。因此，在滴珠制粒調(diào)速過程中，這一點(diǎn)需特別留意。

圖9 速凍未完成

圖10 顆粒沾粘

（3）補(bǔ)充液氮：在滴珠制粒過程中，液氮的持續(xù)消耗是不可避免的。如何有效降低液氮的消耗、及時補(bǔ)充液氮、縮短每次補(bǔ)充液氮所需的時間以及減少補(bǔ)充次數(shù)，都是生產(chǎn)過程中必須面對的實(shí)際問題。如果液氮儲槽容量太小，將導(dǎo)致頻繁的液氮添加；而儲槽容量過大，則可能導(dǎo)致生產(chǎn)結(jié)束后液氮的大量浪費(fèi)。因此，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)能需求，綜合考慮選擇合適的液氮儲槽。

目前，市場上也存在一些滴珠制粒機(jī)，它們能夠加快料液的速凍過程，從而縮短制粒周期。具體的工藝流程需要診斷試劑制造商與滴珠機(jī)制造商共同定制開發(fā)。

（4）料液補(bǔ)充及監(jiān)測：在滴珠制粒過程中，診斷試劑的料液也在不斷消耗，因此需要人工監(jiān)控或滴珠制粒設(shè)備具備自動吸空報(bào)警功能。當(dāng)料液不足，滴珠裝置吸入空氣時，如圖11 所示，需要立即進(jìn)行報(bào)警和干預(yù)，以確保制粒的精度。

圖11 吸空氣泡

（5）安全相關(guān)：在滴珠制粒過程中，液氮的不斷消耗會產(chǎn)生氮?dú)猓@可能導(dǎo)致房間內(nèi)氮?dú)鉂舛壬撸鹾肯陆担嬖诎踩[患。因此，在車間設(shè)計(jì)時，該房間必須具備良好的通風(fēng)換氣功能，并且需要增加監(jiān)測設(shè)備，以預(yù)防和規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

 

3.3凍干

 

凍干的定義已在前文詳細(xì)說明，而在凍干過程中，只需遵循既定的工藝曲線操作。本文將僅對原位凍干的產(chǎn)能和效率進(jìn)行比較。

 

3.3.1 產(chǎn)能對比

（1）以 8 聯(lián)管為例，原位凍干過程中，由于 96 孔板及載架是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，而凍干機(jī)的板層也遵循特定標(biāo)準(zhǔn)，但兩者之間缺乏兼容性，導(dǎo)致在原位凍干時出現(xiàn)顯著的板層空間浪費(fèi)，如圖 12 所示。此外，在 96 孔板或載架上，8 聯(lián)管的橫向與縱向排列之間存在較大的間隙，導(dǎo)致空間浪費(fèi)。以 0.5 m2 的凍干機(jī)為例，其批次產(chǎn)量大約為 3840 支管。

圖12 原位凍干

（2）微球凍干過程中，滴珠制粒后的微球可以倒入凍干機(jī)配套的金屬托盤中進(jìn)行干燥，從而避免了板層空間的浪費(fèi)；同時，微球之間可以緊密排列，不存在間隙浪費(fèi)，如圖 13 所示；以 0.5 m2 凍干機(jī)為例，每批次產(chǎn)量可達(dá)到 60000 顆（以10μl的球?yàn)槔軌蜓b載 60000 支管；與原位凍干相比，產(chǎn)能提升了 15.6 倍。

圖13 微球凍干

3.3.2 效率對比

（1）在原位凍干中，板層的熱量需通過 96 孔板或載架傳遞至 8 聯(lián)管，然后傳導(dǎo)至試劑，由于 96 孔板、部分載架及 8 聯(lián)管的導(dǎo)熱性能不佳，導(dǎo)致試劑受熱緩慢，從而延長了凍干周期。此外，原位凍干的水汽升華通道較小，僅相當(dāng)于原位凍干液面的面積，如圖14 所示。

圖14 水汽升華通道對比

（2）微球凍干過程中，板層上的熱量可以迅速傳遞至金屬托盤，進(jìn)而快速傳導(dǎo)至診斷試劑微球，實(shí)現(xiàn)快速升溫，縮短凍干周期。而且，每一顆診斷試劑微球的球面都成為水汽升華的通道，與原位凍干相比，其液面面積大大增加，如圖 14 所示。

 

3.4隔離分裝

 

凍干后的診斷試劑微球，需要從凍干機(jī)內(nèi)定量分裝到容器內(nèi)（以 8 聯(lián)管為例），這里著重涉及包材理料、微球理料、分裝、隔離控濕等工序。

 

3.4.1 理料

根據(jù)產(chǎn)能規(guī)模及投資預(yù)算，可以選擇人工理料，也可以選擇自動理料。自動理料具有一定的挑戰(zhàn)性，尤其是包材卡在一起或包材變形引起的故障，需要結(jié)合實(shí)際使用的包材進(jìn)行測試驗(yàn)證。

考慮到專利保護(hù)等因素，部分診斷試劑制造商選用具有專利保護(hù)的定制分裝容器，這會給自動理料及后續(xù)的分裝工作帶來很大的非標(biāo)性和難度。

3.4.2 分裝

診斷試劑微球分裝可以采用真空分揀和重力落料兩種形式。

真空分揀是利用真空源作為動力，人工或機(jī)械手逐粒或多粒同時吸取凍干微球，并擺放入理好的包材內(nèi)，如圖 15 所示。此處需要注意氣源壓力，避免沖擊過大，導(dǎo)致微球破損。

圖15 真空分揀

重力落料是利用重力作為動力，將診斷試劑微球篩分到對應(yīng)位置，依靠重力自動落入理好的包材內(nèi)。此處需要注意提前對微球進(jìn)行除靜電操作。

3.4.3 隔離控濕

前文闡述了凍干制品疏松多孔且極易吸潮的特性，這會導(dǎo)致其性能和外觀發(fā)生變化，如圖 16 所示。對于大規(guī)模凍干診斷試劑微球生產(chǎn)線而言，分裝過程不可避免地需要一定時間。在這種情況下，必須根據(jù)產(chǎn)品特性、分裝暴露時間、操作舒適性等因素綜合評估，以確定所需的控濕環(huán)境參數(shù)。控濕方法可選擇房間控濕或隔離罩控濕。如果選擇使用隔離罩進(jìn)行控濕，一般有兩種形式：

圖16 凍干診斷試劑吸潮

● 通過轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)控制隔離罩內(nèi)的濕度，一般可以維持在大約 10% 的水平；

● 如果車間可供應(yīng)潔凈干燥的氮?dú)猓€可采用氮?dú)庵脫Q的方式進(jìn)行控濕，濕度可控制在大約 2%。

 

3.5檢測及密封

 

（1）在凍干診斷試劑微球進(jìn)行最終密封包裝之前，需要設(shè)置檢測工序。檢測以人工進(jìn)行，也可以使用設(shè)備自動檢查。設(shè)備端一般采用 CCD 高速相機(jī)進(jìn)行拍照檢測。

 

（2）凍干診斷試劑微球的最終密封包裝一般采用鋁箔袋封口形式。根據(jù)需要，可以配置在線制袋或預(yù)制袋包裝機(jī)進(jìn)行封口密封，如圖 17 所示。此外，還可以實(shí)現(xiàn)真空密封。

圖17 鋁箔袋封口

 

3.6下游包裝

 

在鋁箔袋或其他形式的密封完成后，凍干診斷試劑微球產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了真正的密閉包裝。后續(xù)可采用半自動或全自動的噴碼、裝盒、裝箱、碼垛等標(biāo)準(zhǔn)后道包裝產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)。

 

4.總  結(jié)

 

本文深入探討了診斷試劑的三種主要形式及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在應(yīng)對大規(guī)模生產(chǎn)需求的背景下，凍干分子診斷試劑微球在產(chǎn)能、效率和能耗等方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。然而，這種形式同樣面臨著一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要解決。本文詳細(xì)闡述了凍干分子診斷試劑微球的生產(chǎn)工藝流程、所面臨的問題以及相應(yīng)的工藝設(shè)備支持，旨在為計(jì)劃建設(shè)凍干分子診斷試劑微球生產(chǎn)線的企業(yè)提供有價值的參考和借鑒。

 

參考文獻(xiàn)

 

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本文作者劉超、張鵬宇、蔡沈燕，東富龍科技集團(tuán)股份有限公司，僅供交流學(xué)習(xí)。