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凍干藥品中的殘留水分含量是一個關鍵的質量參數，并且以不同形式存在。相較于結合更緊密的“結合水"，“游離"水更容易在產品內引發降解反應。然而，由于歷史原因，全球制藥行業將總水分含量作為主要的水分質量參數進行了標準化。行業所采用的傳統水分分析方法，如干燥失重法或卡爾費休（KF）滴定法，無法區分不同的水狀態。大多數其他行業（例如食品行業）已將水分活度作為主要的水分質量參數進行了標準化。科學研究得出的結論是，與卡爾·費休水分含量相比，水分活度是預測產品安全性和穩定性的一個更好的指標。

這是因為水分活度是一種熱力學性質，它反映了產品與水相互作用的潛力，并且與產品的水分依賴性特性直接相關。因此，美國藥典最近新增了一章，即USP<922>水分活度，以鼓勵更多地使用水分活度作為基于科學的水分質量參數。本文闡述了制藥行業為何需要將目前使用的總水分含量質量范式轉變為水分活度。文章通過具體的行業案例研究，舉例說明了如何使用非破壞性的基于激光的頂空水分活度方法來分析凍干藥品的水分含量。基于激光的頂空水分活度方法能夠直接生成統計水分數據，用于凍干周期優化、凍干室水分分布圖繪制以及批次水分特征描述。

殘留水分測定的重要性

測定凍干藥品中的殘留水分含量至關重要，原因有多方面。首先，殘留水分含量的多少與藥品配方在整個貨架期內的穩定性相關。小分子藥物配方可能因水的存在而直接觸發降解途徑，因此，確保所有成品的水分含量低于規定的殘留水分標準至關重要。總體而言，大分子藥物配方的降解途徑更為復雜，水在其中往往起著間接作用。值得注意的是，凍干產品中的殘留水分以多種不同狀態存在，這些狀態根據其與賦形劑和活性藥物成分（API）之間化學和物理相互作用的強度和類型而有所區別。最在簡單的層面上，這些不同的狀態通常被分為“結合水"——包括吸附水、化學結合水和結晶水——以及“游離水"，后者指的是與溶質相互作用較弱、能夠根據配方成分與產品周圍環境之間的化學勢自由遷移的水。

科學界一致認為，只有這種游離水或活性水才能參與化學反應。由于過多的游離水可能觸發活性藥物成分的潛在降解途徑，因此游離水的存在對產品穩定性的影響最大。

殘留水分測定之所以重要的第二個原因是，對成品進行殘留水分分析的過程研究可以深入了解凍干工藝本身。特別是，可以研究和表征工藝變異性對最終產品質量的影響。殘留水分測定可以用作一種工具，來確認特定藥物配方所用特定凍干周期的效率和穩健性，或者用于優化和驗證特定凍干機的性能。典型的藥品凍干周期目標是將殘留水分含量控制在1%至3%（按重量計）的范圍內。人們經常遵循一種可以描述為“越干越好"的策略。對于具有由水直接觸發的降解途徑的小分子而言，這種方法是一種合適的策略。然而，在大型生物制藥分子領域，產品有可能被過度干燥，因此工藝的控制以及最終產品的分析變得更加關鍵。

現在人們普遍知道，即使在凍干狀態下，蛋白質也需要少量水分來幫助維持其高級結構。其他類型的產品，如某些凍干血漿配方，也需要最少量的水分才能有效實現干熱病毒滅活。因此，有時必須設計一個凍干周期，使所有成品樣本的水分含量都保持在一定的范圍內，既最有低規格也有最高規格。在持續的制藥行業運營中，研發工作往往沒有足夠的時間來全面優化配方和/或凍干周期。雖然采用保守的干燥周期可以生產出符合質量參數的產品（即殘留水分足夠低），但如果對配方和工藝進行適當的優化開發，那么使用更短的周期也可能生產出同樣質量的產品，從而節省時間和能源成本。

對更好殘留水分測定方法的需求

與過去幾年在設計和開發改進凍干工藝方面所投入的關注和創新工作相比，在開發用于成品分析的更好殘留水分測定技術方面取得的進展較少。制藥行業傳統上用于殘留水分測定的方法是熱重分析（TGA）和卡爾費休（KF）滴定法。對于凍干產品，卡爾·費休滴定法是目前使最用廣泛的方法，它測量凍干硬塊中的總水量，假設樣品在KF介質完中全可溶。盡管滴定方法多年來已有所改進，但KF方法仍然耗時，需要操作人員具備專業知識并仔細處理樣品，而且具有破壞性（樣品在分析過程中被銷毀）。與依賴化學反應檢測水分的卡爾·費休法不同，TGA方法通過加熱樣品來測量其重量損失，從而驅除殘留水分。這些方法不僅測量水分，還測量因加熱而產生的任何其他揮發性物質。因此，為了使用TGA方法準確測量殘留水分含量，必須充分了解凍干材料的組成。這些方法還可能受到環境水分引起的潛在偽影的影響，因此要求操作人員仔細處理，既耗時又具有破壞性。

傳統方法的破壞性限制了它們在凍干產品穩定性和工藝研究中生成具有統計相關性的數據的應用。在穩定性研究中，如果需要將水分含量與活性成分濃度相關聯，那么對于每個參數，在每個時間點都必須對一組樣品進行破壞性測試。因此，為避免稀缺材料的浪費，樣品組數量保持相對較少。此外，還隱含了一個假設，即在特定時間點測試的每個樣品都是相同的，但實際情況可能并非如此。如果能夠在單個樣品中同時測量產品水分和活性成分的降解情況，那么將獲得更穩健的數據，從而能夠確定準確的水分穩定性規格，并且穩定性研究所需的材料也會更少。在工藝研究領域，由于使用傳統方法無法獲得具有統計相關性的殘留水分數據，因此只能有限地了解工藝變異性對最終產品質量的影響。

一種快速且非破壞性的補充水分測定方法將能夠在工藝研究中收集統計性的水分數據，并深入了解工藝變異性對最終產品質量的影響以及工藝變異性的根本原因。此類研究的結果隨后可以反饋到工藝設計活動中。最后，如前所述，傳統水分測定方法無法區分自由（活性）水和結合水，這使得科學上難以研究不同狀態的水與降解之間的相關性，也難以了解凍干基質中隨時間可能發生的水分動態變化。改進工藝設計并增加對凍干產品水分動態的了解，將帶來更加精簡和高效的生產過程，節省時間和資源，并降低批次問題的風險。

顯然，我們需要一種更好的殘留水分測量方法，以克服卡爾費休（KF）滴定方法的不足和缺點。鏡面冷凝露點法和激光法的發展提供了一種替代技術，能夠實現快速、非破壞性的水分分析，這兩項技術已經在全球制藥行業中應用了將近四十年。