凍干樣品表面裂紋深度剖析

在凍干實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)流程中，若發(fā)現(xiàn)凍干樣品上表面產(chǎn)生裂紋，著實(shí)令人困擾。下面就深入探究一下其成因。

一、產(chǎn)品自身特性相關(guān)因素

（一）成分與結(jié)構(gòu)

當(dāng)樣品包含大量溶質(zhì)，例如高濃度的蛋白質(zhì)、糖類或鹽類時(shí)，在凍干過程中，隨著水分升華，溶質(zhì)逐漸濃縮。結(jié)晶過程所引發(fā)的應(yīng)力變化，極有可能致使表面開裂。以高濃度蔗糖溶液的凍干為例，蔗糖結(jié)晶就會(huì)產(chǎn)生不良影響。此外，若樣品微觀結(jié)構(gòu)不均衡，像是由不同粒徑顆粒構(gòu)成的復(fù)合材料，凍干時(shí)不同顆粒間結(jié)合力存在差異，水分散失速率也不一致，應(yīng)力便會(huì)在表面聚集，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

（二）初始形狀和厚度 樣品厚度過大是不可取的。厚樣品內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面的路徑漫長(zhǎng)，表面水分升華迅速，率先形成硬殼，而內(nèi)部水分持續(xù)升華會(huì)使壓力增大，最終導(dǎo)致硬殼無法承受而破裂。例如部分塊狀生物樣品，厚度超過 10mm 時(shí)就容易出現(xiàn)這種狀況。形狀不規(guī)則且?guī)в屑怃J邊角的樣品同樣存在問題，邊角處水分升華速度快，應(yīng)力集中，棱柱形樣品的棱角部位就極易出現(xiàn)裂紋。

二、凍干過程參數(shù)相關(guān)因素

（一）冷凍速度

冷凍速度過慢，冰晶會(huì)生長(zhǎng)得較大，升華后留下的空隙大，結(jié)構(gòu)疏松，容易出現(xiàn)塌陷和裂紋；冷凍速度過快，內(nèi)部微小冰晶在升華時(shí)也可能引發(fā)應(yīng)力變化，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。對(duì)于溫度敏感的生物樣品凍干而言，冷凍速度不當(dāng)就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。

（三）干燥速度（升華和解析干燥） 升華速度過快時(shí)，表面水分迅速消失，內(nèi)部水分來不及補(bǔ)充，硬殼就會(huì)破裂。這通常是在真空度高且加熱溫度控制不佳的情況下發(fā)生的。解析干燥階段，若溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)，樣品會(huì)過度干燥而變脆，在內(nèi)部應(yīng)力作用下，表面便會(huì)開裂。

1.真空度

真空度高時(shí)，水分升華速度快，容易造成硬殼破裂；不穩(wěn)定的真空度會(huì)使樣品內(nèi)外壓力差不斷變化，同樣會(huì)產(chǎn)生裂紋。一旦凍干設(shè)備的真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障，樣品就會(huì)受到影響。

2.擱板溫度

擱板溫度升高，樣品表面升溫迅速，水分升華加快，溫度梯度增大，內(nèi)部水分遷移不均勻，應(yīng)力集中于表面，從而產(chǎn)生裂紋。某些藥品在擱板溫度超過 30℃時(shí)就可能出現(xiàn)問題。