聚合物的定義 

聚合物是指由簡單的小分子(稱為單體)，經(jīng)過聚合反應，所形成的巨大分子。其分子量通常相當大，可能含數(shù)千到數(shù)十萬個原子。有的聚合物形成鏈狀,有的形成網(wǎng)狀。

聚合物具有能提高生物制品混合溶液的玻璃化轉變溫度等有利因素，因而在有些生物制品的配方中常常加入多種聚合物類保護劑。 

聚合物類保護劑一般同時起著低溫保護劑和脫水保護劑的作用。其中，zui典型的的聚合物類保護劑有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、牛血清（BSA）、右旋糖苷（dextran）、聚乙二醇（PEG）等。

常用聚合物類保護劑

在一般情況下，在生物制品冷凍干燥配方中添加的聚合物具有以下的性質(zhì)：

聚合物在凍結過程中優(yōu)先析出；

具有一定的表面活性；

在蛋白質(zhì)分子之間產(chǎn)生位阻（steric hindrance）作用；

提高溶液黏度；

顯著提高玻璃化轉變溫度；

抑制小分子賦形劑（如蔗糖）的結晶；

抑制溶液pH的降低。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）

     常被用作澄清劑、色素穩(wěn)定劑和膠體穩(wěn)定劑。PVP對生物材料的低溫保存，和冷凍干燥，都是很好的保護劑。同時它在生物制品的脫水干燥過程中又是很好的填充劑，為生物制品提供很強的支撐作用。 

牛血清白蛋白（BSA）

    冷凍干燥粉末，常為白色或類白色；溶于水，其水溶液加熱至60-70℃時蛋白會凝固沉淀。牛血清在很低的濃度下就能起到很好的保護效果，其保護作用原理與PVP一樣。

右旋糖酐

    右旋糖苷是若干葡萄糖分子脫水的聚合產(chǎn)物，又叫葡聚糖。其分子量各不相同，相對分子量50000-90000為中分子（如右旋糖苷70），25000-50000為低分子（如右旋糖苷40），10000-25000為小分子，＜10000為微分子。抑制冰晶的長大，提供冷凍穩(wěn)定性。右旋糖苷常被用作許多生物制品冷凍干燥的低溫保護劑。  

聚乙二醇（PEG）

    乙二醇可與環(huán)氧乙烷作用生成聚乙二醇，聚乙二醇工業(yè)上用途很廣，可用作乳化劑、軟化劑、表面活化劑等。PEG在生物材料的低溫保存和冷凍干燥過程中也是很有效的低溫保護劑，其保護效果與PEG的分子量有關。在一定程度上，它的低溫保護能力遠遠大于其它低分子化合物（如蔗糖）。 

表面活性劑類、氨基酸類的保護劑

表面活性劑類的保護劑

通常把凡是能降低界面張力的，由親水和親油基組成的化合物，稱為表面活性劑。它們分子中的碳氫鏈部分是造成溶于油的原因；而分子中的極性基（如-COOH，-OH）則對水有親和力。當這些分子處于空氣—水界面或油—水界面時，親水基會定位在水相，而親油基則指向氣相或油相。

表面活性劑可分為離子型和非離子型兩大類。凡是溶于水時能電離成離子的，稱為離子型表面活性劑；否則，稱為非離子型表面活性劑。

在生物制品的冷凍干燥全過程中，表面活性劑既能在凍結和脫水過程中降低冰水界面張力所引起的凍結和脫水變性；又能在復水過程中對活性組分起到潤濕劑和重褶皺劑的作用。

非離子型表面活性劑具有相對較低的臨界膠束濃度（Critical Micelle Concentration, CMC），通常使用較低濃度就可以滿足保護效果。其中吐溫系列是zui常用的非離子型表面活性劑。

氨基酸類的保護劑

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本構成單位，其中zui主要的是α-氨基酸。它是由一個氨基（-NH2）、一個羧基（-COOH）、一個氫原子（-H）和一個R基團（-R）連結在一個α碳原子所組成。α-氨基酸及其兩性離子的結構通式如下：

        氨基酸                                                   氨基酸的兩性離子

由于氨基酸離子具有酸、堿兩性，因此能夠在生物制品的低溫保存和冷凍干燥過程中能抑制溶液的pH變化，從而達到保護活性組分的目的。

此外，有許多氨基酸還是很好的填充劑。甘氨酸是的填充劑 。

其他添加劑

抗氧化劑

抗氧化劑的種類繁多，抗氧化的作用機理也不盡相同，但都以其還原性為依據(jù)。一種是抗氧化劑的自身氧化，消耗凍干樣品內(nèi)部和環(huán)境中的氧，使凍干樣品物料不被氧化；另一種是抗氧化劑給出電子或氫原子，阻斷凍干樣品的氧化鏈式反應；還有一種方式是抗氧化劑通過抑制氧化酶的活性而防止凍干樣品的氧化變質(zhì)。 

將不同的抗氧化劑混合起來使用，比單獨使用時，具有更高的效力，即混合抗氧化劑具有增效的作用。

緩沖劑

蛋白質(zhì)具有兩性電解質(zhì)（amphoteric electrolyte）的性質(zhì)，它既能和酸作用，又能和堿作用。當溶液在某一特定的pH值時，蛋白質(zhì)所帶的正電荷與負電荷恰好相等，蛋白質(zhì)不顯電性，這時溶液的pH值稱為該蛋白質(zhì)等電點（isoelectric point）。蛋白質(zhì)在它們的等電點的環(huán)境下更為穩(wěn)定。然而在的pH的環(huán)境下，高靜電荷引起強烈的分子內(nèi)電推斥力，會導致蛋白質(zhì)分子的展開。

由于在蛋白質(zhì)溶液的凍結過程中，溶液的濃度逐漸提高。在高濃度時可能會改變?nèi)芤旱膒H值，嚴重情況下會導致蛋白質(zhì)變性，從而直接使得生物制品失活。所以，在生物制品的凍干保護劑配方中，往往要添加適量的緩沖劑。

 凍干加速劑

冷凍干燥過程耗時長、耗能多，因此迫切需要對凍干循環(huán)進行優(yōu)化，降低生產(chǎn)成本。在凍干配方中加入適量的叔丁醇（Tertiary Butyl Alcohol）后，凍結時會形成針狀結晶；冰晶升華后，留下了管狀通道，使水蒸汽流動阻力大大減小，升華速率顯著提高。

叔丁醇是一種小分子醇，分子式為(CH3)3COH，與水*互溶，具有低毒性、高蒸汽壓，既可以單獨作為凍干溶劑，又可以與水組成復合溶劑，目前的研究熱點是叔丁醇-水復合溶劑。

在藥品水溶液中加入叔丁醇能起到以下作用：

   （1）可以降低干燥層阻力，從而加速了干燥過程，縮短了干燥時間；（2）溶解難溶于水的藥品；（3）使產(chǎn)品具有高的比表面積、好的外觀、并易于復水；（4）可提高藥品溶液和凍干品的穩(wěn)定性；（5）有一定的抑菌作用。

物料含水量與凍干時間的關系

對于5%w/v蔗糖水溶液，不含叔丁醇時，蔗糖溶液干燥需要100個小時，含5%w/v叔丁醇時，蔗糖溶液干燥僅需10個小時，  

以上結論研究都是用控溫、硅油加熱，真空冷凍干燥機

凍干蔗糖溶液的掃描電鏡照片

主要是因為不含叔丁醇時，溶液沒有形成針狀結晶，不利于水蒸汽的質(zhì)量傳遞；加入叔丁醇后，形成了針狀結晶，冰晶升華后，留下了管狀通道，使水蒸汽的流動阻力大大減小。