冷冻干燥（lyophilization 或 freeze-drying）是一种广泛应用于制药、生物制品和疫苗制造中的关键技术，用于通过升华去除溶剂，从而稳定热敏感材料以利于长期储存和运输。

典型的冷冻干燥过程包括三个主要阶段：

• 冷冻（Freezing）：在大气压下将液体样品冷冻成固体。

• 初次干燥（Primary Drying）：在低于溶剂三相点的压力下通过升华去除冰。

• 二次干燥（Secondary Drying）：通过解吸去除残留的未冻结水分，使最终产品含水量通常低于2%。

其中，冷冻阶段虽然时间较短，但对最终产品的质量和一致性具有决定性影响。尤其是冰核形成（Ice nucleation）的控制，直接影响到冰晶形态、干燥速率和产品稳定性。

在上一篇文章中提到了可控成核技术的应用（Controlled Ice Nucleation, CIN），可控成核技术目前主流的方式有两种：

• 冰雾法 Ice Fog：将西林瓶冷却至低于平衡冰点的所需温度，然后将冻干箱内压力降低，再将制备好的微小冰晶（冰雾）引入西林瓶内，以在过冷溶液中形成冰结晶。简而言之，冰雾产生“种子”晶体，这些晶体落入西林瓶中，形成“核”，冰晶在成核过程中围绕着核形成。

• 快速降压法 Rapid Depressurization：将所有西林瓶中的产品温度降至设定值，然后用惰性气体（如氮气或氩气）对冻干箱内加压。当达到热平衡时，超压会迅速释放实现减压，（或Partial vacuum，直接抽空减压），导致溶液顶部形成冰晶，并在短时间内扩散到整个西林瓶。

冰雾法因其“播种”的直观性，在概念层面更容易被理解和接受。而快速降压法的机理之所以长期“晦涩难懂”，其确切的作用机制（究竟是机械冲击、气泡形成、界面蒸发还也是“冰雾”植入）一直存在多种假设且缺乏直接证据。

近期普渡大学发表一篇文献，其中研究人员借助设计的实验与CFD模型的结合尝试揭示并阐释其背后复杂的多相流动物理过程。以300 kPa氮气、20R瓶、5ml灌装量为例，研究者将过程分解为五个连续的阶段：

1. 第一阶段是膨胀冷却，阀门开启后，瓶顶空气体在内外压差驱动下向上并通过瓶塞上的缝隙流出，导致顶空中心区域气体发生近乎等熵的膨胀和冷却；

2. 第二阶段是液滴凝结与自然对流，核心区冷却的气体密度增大，在负浮力作用下开始向下运动，同时温度的急剧降低使水蒸气迅速过饱和，达到均相成核条件，大量微米级的液态水微滴在顶空核心区域凝结形成一片清晰的“云”，这些携带着微滴的冷气团持续向下冲向液体界面；

3. 第三阶段是液滴冻结，向下运动的冷气团和微滴在接近过冷液体界面时发生流动转向，沿瓶壁径向向外继而向上运动，在此过程中，极度低温的微滴本身发生冻结，转变为冰微粒；

4. 第四阶段是热对流与涡旋形成，向上运动的气粒两相流在瓶肩部受阻后转向瓶中心轴线运动，与持续下行的核心气流相遇，形成一个停滞点，其上方的流体向上流出瓶口，下方的则被压回向下运动，由此在瓶肩区域激发了一个稳定、层流的环形涡旋（toroidal vortex），它将大量冰微粒包裹并输运；

5. 第五阶段也是最终阶段——体相冰核形成，这个向下运动的涡旋流股加速冲击液体弯月面，将其所携带的冰微粒如同“种子”一样植入过冷的体相液体中，瞬间诱发体相液体的异相成核，成核锋面随后从液面向瓶底传播。整个可视化过程表明，成核并非由简单的整体降温或压力波直接引起，而是通过一个由热对流驱动、涉及相变和颗粒输运的复杂流体动力学过程，最终将冰晶“植入”液体而实现的。

研究者进一步探讨了灌装体积和样品瓶尺寸对过程的影响。对比5ml和10ml灌装量发现，虽然形成的环形涡旋形态相似，但显然高灌装量压缩了顶空空间，使涡旋更贴近瓶肩，液面附近的流动结构也更紧凑，然而体相成核的时间并未受到显著影响。

基于这些丰富的实验观察，研究者构建了一个高度复杂的三维、瞬态、可压缩、层流的多相流CFD模型来对整个过程进行定量化、机理性的描述。

综上所述，这项研究认为减压法是一个由多阶段、多物理场耦合构成的复杂流体动力学过程，其核心机制是绝热膨胀冷却→水蒸气凝结成微滴→微滴冻结成冰粒→热对流形成涡旋→冰粒输运并撞击液面诱发体相成核，不赞同简单的机械冲击或整体冷却成核的猜想，确立了同样是依靠“冰雾植入”的核心地位，并精确描述了该“冰雾”产生和输运的动力学。同时研究团队认为该研究建立的CFD模型可以作为一个可靠的数字孪生体，为不同冻干机规格、样品瓶类型、灌装量、工艺参数（压力、气体种类）提供成核性能预测的能力。

最后说说现实情况，可以看到科研人员一直在探寻可控成核技术，无论直观冰雾法还是减压法都已经在市场上出现20多年，即使可控成核（CIN）技术的原理在科学上已被阐明，但其在制药工业中的普及仍然面临巨大障碍。这并非因为原理不清，而是从“原理清晰”到“工业化可靠、经济、合规的普及”之间，存在一道由技术、经济和监管共同构成的巨大鸿沟。

对于已上市的产品，任何关键工艺的变更都属于重大变更。制药公司必须向监管机构（如FDA、EMA）提交大量的数据，证明变更后的工艺同样安全、有效且可控。这个过程漫长、昂贵且结果有不确定性，因此企业普遍存在“不求有功，但求无过”的保守心态。而传统的随机成核冷冻工艺已经使用了数十年，积累了海量的数据，其风险和缺陷已被监管机构和行业充分认知和理解。换用一种新技术，意味着要重新建立一套知识体系并说服监管机构。

因此个人观点，只有当某个重磅药物的开发极度依赖更优的冰晶结构（例如一些新型生物制剂），使得投资CIN技术的回报变得无可争议时，它才会成为突破口，逐步改变行业的现状。

作者：Shengyi 

来源：拾西

公众号日期：2025年8月22日