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。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輸?shù)膯栴}，還在產(chǎn)能、效率、能耗等方面展現(xiàn)出獨特優(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。本文將重點闡述其生產(chǎn)過程中的注意事項以及配套設(shè)備的保障，期望能為計劃建設(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輸過程中對溫度控制有著嚴格的要求。更高效的生產(chǎn)工藝、更卓越的試劑穩(wěn)定性和更低的運輸成本，將對整個行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

 

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輸和冷藏工藝，這不僅增加了運營成本，還可能對產(chǎn)品質(zhì)量造成潛在風(fēng)險。原位凍干技術(shù)解決了冷鏈運輸問題，使得診斷試劑可以在常溫下運輸，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輸?shù)膯栴}，還在產(chǎn)能、效率、能耗等方面展現(xiàn)出獨特優(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，詳細對比見表1，具體內(nèi)容將在后續(xù)文中詳細闡述。

 

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，隨后通過凍干機進行干燥處理，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)境中進行，使物料中的水分直接升華，以達到干燥的目的。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，并在凍干機內(nèi)維持其形態(tài)進行干燥，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

 

凍干診斷試劑微球產(chǎn)線的配液系統(tǒng)及其配方設(shè)計構(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驗來探索。

 

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：滴珠制粒機作為生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，主要負責(zé)實現(xiàn)高效的滴珠制粒作業(yè)。對于 8 通道制粒機來說，其每小時的產(chǎn)量可達到 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℃液氮中進行冷凍，但這一過程也難以實現(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，這一點需特別留意。

 

圖9 速凍未完成

 

圖10 顆粒沾粘

（3）補充液氮：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、及時補充液氮、縮短每次補充液氮所需的時間以及減少補充次數(shù)，都是生產(chǎn)過程中必須面對的實際問題。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。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，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制造商共同定制開發(fā)。

（4）料液補充及監(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，需要立即進行報警和干預(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)生氮氣，這可能導(dǎo)致房間內(nèi)氮氣濃度升高，氧含量下降，存在安全隱患。因此，在車間設(shè)計時，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。

 

3.3凍干

 

凍干的定義已在前文詳細說明，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，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。以 0.5 m2 的凍干機為例，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配套的金屬托盤中進行干燥，從而避免了板層空間的浪費；同時，微球之間可以緊密排列，不存在間隙浪費，如圖 13 所示；以 0.5 m2 凍干機為例，每批次產(chǎn)量可達到 60000 顆（以10μl的球為例），能夠裝載 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，進而快速傳導(dǎo)至診斷試劑微球，實現(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)合實際使用的包材進行測試驗證。

考慮到專利保護等因素，部分診斷試劑制造商選用具有專利保護的定制分裝容器，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，人工或機械手逐?；蚨嗔Ｍ瑫r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)?？貪穹椒蛇x擇房間控濕或隔離罩控濕。如果選擇使用隔離罩進行控濕，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)潔凈干燥的氮氣，還可采用氮氣置換的方式進行控濕，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行最終密封包裝之前，需要設(shè)置檢測工序。檢測以人工進行，也可以使用設(shè)備自動檢查。設(shè)備端一般采用 CCD 高速相機進行拍照檢測。

 

（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)制袋包裝機進行封口密封，如圖 17 所示。此外，還可以實現(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。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

 

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[2] C u c i n o t t a D , Va n e l l i M .WHO Declares COVID-19 aPandemic.Acta Biomed. 2020;91(1): 157-160.

[3] 周睿，王清濤 .POCT 在臨床應(yīng)用中面臨的機遇和挑戰(zhàn) [J].中華檢驗醫(yī)學(xué)雜志，2019（5）：323-327.

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

 

 

本文由廣州佳譽醫(yī)療器械有限公司/佛山浩揚醫(yī)療器械有限公司聯(lián)合編輯