水分活度：冻干水分测定的更好方法

冻干药品中的残留水分含量是一个关键的质量参数，并且以不同形式存在。相较于结合更紧密的“结合水”，“游离”水更容易在产品内引发降解反应。然而，由于历史原因，全球制药行业将总水分含量作为主要的水分质量参数进行了标准化。行业所采用的传统水分分析方法，如干燥失重法或卡尔费休（KF）滴定法，无法区分不同的水状态。大多数其他行业（例如食品行业）已将水分活度作为主要的水分质量参数进行了标准化。科学研究得出的结论是，与卡尔·费休水分含量相比，水分活度是预测产品**性和稳定性的一个更好的指标。

这是因为水分活度是一种热力学性质，它反映了产品与水相互作用的潜力，并且与产品的水分依赖性特性直接相关。因此，美国药典*近新增了一章，即USP<922>水分活度，以鼓励更多地使用水分活度作为基于科学的水分质量参数。本文阐述了制药行业为何需要将目前使用的总水分含量质量范式转变为水分活度。文章通过具体的行业案例研究，举例说明了如何使用非破坏性的基于激光的顶空水分活度方法来分析冻干药品的水分含量。基于激光的顶空水分活度方法能够直接生成统计水分数据，用于冻干周期优化、冻干室水分分布图绘制以及批次水分特征描述。

残留水分测定的重要性

测定冻干药品中的残留水分含量至关重要，原因有多方面。首先，残留水分含量的多少与药品配方在整个货架期内的稳定**息相关。小分子**配方可能因水的存在而直接触发降解途径，因此，确保所有成品的水分含量低于规定的残留水分标准至关重要。总体而言，大分子**配方的降解途径更为复杂，水在其中往往起着间接作用。值得注意的是，冻干产品中的残留水分以多种不同状态存在，这些状态根据其与赋形剂和活**物成分（API）之间化学和物理相互作用的强度和类型而有所区别。在*简单的层面上，这些不同的状态通常被分为“结合水”——包括吸附水、化学结合水和结晶水——以及“游离水”，后者指的是与溶质相互作用较弱、能够根据配方成分与产品周围环境之间的化学势自由迁移的水。

科学界一致认为，只有这种游离水或活性水才能参与化学反应。由于过多的游离水可能触发活**物成分的潜在降解途径，因此游离水的存在对产品稳定性的影响*大。

残留水分测定之所以重要的**个原因是，对成品进行残留水分分析的过程研究可以深入了解冻干工艺本身。特别是，可以研究和表征工艺变异性对*终产品质量的影响。残留水分测定可以用作一种工具，来确认特定**配方所用特定冻干周期的效率和稳健性，或者用于优化和验证特定冻干机的性能。典型的药品冻干周期目标是将残留水分含量控制在1%至3%（按重量计）的范围内。历史上，人们经常遵循一种可以描述为“越干越好”的策略。对于具有由水直接触发的降解途径的小分子而言，这种方法是一种合适的策略。然而，在大型生物制药分子领域，产品有可能被过度干燥，因此工艺的控制以及*终产品的分析变得更加关键。

现在人们普遍知道，即使在冻干状态下，蛋白质也需要少量水分来帮助维持其**结构。其他类型的产品，如某些冻干血浆配方，也需要*少量的水分才能有效实现干热病毒灭活。因此，有时必须设计一个冻干周期，使所有成品样本的水分含量都保持在一定的范围内，既有*低规格也有*高规格。在持续的制药行业运营中，研发工作往往没有足够的时间来**优化配方和/或冻干周期。虽然采用保守的干燥周期可以生产出符合质量参数的产品（即残留水分足够低），但如果对配方和工艺进行适当的优化开发，那么使用更短的周期也可能生产出同样质量的产品，从而节省时间和能源成本。

对更好残留水分测定方法的需求

与过去几年在设计和开发改进冻干工艺方面所投入的关注和**工作相比，在开发用于成品分析的更好残留水分测定技术方面取得的进展较少。制药行业传统上用于残留水分测定的方法是热重分析（TGA）和卡尔费休（KF）滴定法。对于冻干产品，卡尔·费休滴定法是目前使用***的方法，它测量冻干硬块中的总水量，假设样品在KF介质中完全可溶。尽管滴定方法多年来已有所改进，但KF方法仍然耗时，需要操作人员具备专业知识并仔细处理样品，而且具有破坏性（样品在分析过程中被销毁）。与依赖化学反应检测水分的卡尔·费休法不同，TGA方法通过加热样品来测量其重量损失，从而驱除残留水分。这些方法不仅测量水分，还测量因加热而产生的任何其他挥发性物质。因此，为了使用TGA方法准确测量残留水分含量，必须充分了解冻干材料的组成。这些方法还可能受到环境水分引起的潜在伪影的影响，因此要求操作人员仔细处理，既耗时又具有破坏性。

传统方法的破坏性限制了它们在冻干产品稳定性和工艺研究中生成具有统计相关性的数据的应用。在稳定性研究中，如果需要将水分含量与活性成分浓度相关联，那么对于每个参数，在每个时间点都必须对一组样品进行破坏性测试。因此，为避免稀缺材料的浪费，样品组数量保持相对较少。此外，还隐含了一个假设，即在特定时间点测试的每个样品都是相同的，但实际情况可能并非如此。如果能够在单个样品中同时测量产品水分和活性成分的降解情况，那么将获得更稳健的数据，从而能够确定准确的水分稳定性规格，并且稳定性研究所需的材料也会更少。在工艺研究领域，由于使用传统方法无法获得具有统计相关性的残留水分数据，因此只能有限地了解工艺变异性对*终产品质量的影响。

一种快速且非破坏性的补充水分测定方法将能够在工艺研究中收集统计性的水分数据，并深入了解工艺变异性对*终产品质量的影响以及工艺变异性的根本原因。此类研究的结果随后可以反馈到工艺设计活动中。*后，如前所述，传统水分测定方法无法区分自由（活性）水和结合水，这使得科学上难以研究不同状态的水与降解之间的相关性，也难以了解冻干基质中随时间可能发生的水分动态变化。改进工艺设计并增加对冻干产品水分动态的了解，将带来更加精简和高效的生产过程，节省时间和资源，并降低批次问题的风险。

显然，我们需要一种更好的残留水分测量方法，以克服卡尔费休（KF）滴定方法的不足和缺点。镜面冷凝**法和激光法的发展提供了一种替代技术，能够实现快速、非破坏性的水分分析，这两项技术已经在全球制药行业中应用了将近四十年。