聚合物的定义 

聚合物是指由简单的小分子(称为单体)，经过聚合反应，所形成的巨大分子。其分子量通常相当大，可能含数千到数十万个原子。有的聚合物形成链状,有的形成网状。

聚合物具有能提高生物制品混合溶液的玻璃化转变温度等有利因素，因而在有些生物制品的配方中常常加入多种聚合物类保护剂。 

聚合物类保护剂一般同时起着低温保护剂和脱水保护剂的作用。其中，zui典型的的聚合物类保护剂有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、牛血清（BSA）、右旋糖苷（dextran）、聚乙二醇（PEG）等。

常用聚合物类保护剂

在一般情况下，在生物制品冷冻干燥配方中添加的聚合物具有以下的性质：

聚合物在冻结过程中优先析出；

具有一定的表面活性；

在蛋白质分子之间产生位阻（steric hindrance）作用；

提高溶液黏度；

显著提高玻璃化转变温度；

抑制小分子赋形剂（如蔗糖）的结晶；

抑制溶液pH的降低。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）

     常被用作澄清剂、色素稳定剂和胶体稳定剂。PVP对生物材料的低温保存，和冷冻干燥，都是很好的保护剂。同时它在生物制品的脱水干燥过程中又是很好的填充剂，为生物制品提供很强的支撑作用。 

牛血清白蛋白（BSA）

    冷冻干燥粉末，常为白色或类白色；溶于水，其水溶液加热至60-70℃时蛋白会凝固沉淀。牛血清在很低的浓度下就能起到很好的保护效果，其保护作用原理与PVP一样。

右旋糖酐

    右旋糖苷是若干葡萄糖分子脱水的聚合产物，又叫葡聚糖。其分子量各不相同，相对分子量50000-90000为中分子（如右旋糖苷70），25000-50000为低分子（如右旋糖苷40），10000-25000为小分子，＜10000为微分子。抑制冰晶的长大，提供冷冻稳定性。右旋糖苷常被用作许多生物制品冷冻干燥的低温保护剂。  

聚乙二醇（PEG）

    乙二醇可与环氧乙烷作用生成聚乙二醇，聚乙二醇工业上用途很广，可用作乳化剂、软化剂、表面活化剂等。PEG在生物材料的低温保存和冷冻干燥过程中也是很有效的低温保护剂，其保护效果与PEG的分子量有关。在一定程度上，它的低温保护能力远远大于其它低分子化合物（如蔗糖）。 

表面活性剂类、氨基酸类的保护剂

表面活性剂类的保护剂

通常把凡是能降低界面张力的，由亲水和亲油基组成的化合物，称为表面活性剂。它们分子中的碳氢链部分是造成溶于油的原因；而分子中的极性基（如-COOH，-OH）则对水有亲和力。当这些分子处于空气—水界面或油—水界面时，亲水基会定位在水相，而亲油基则指向气相或油相。

表面活性剂可分为离子型和非离子型两大类。凡是溶于水时能电离成离子的，称为离子型表面活性剂；否则，称为非离子型表面活性剂。

在生物制品的冷冻干燥全过程中，表面活性剂既能在冻结和脱水过程中降低冰水界面张力所引起的冻结和脱水变性；又能在复水过程中对活性组分起到润湿剂和重褶皱剂的作用。

非离子型表面活性剂具有相对较低的临界胶束浓度（Critical Micelle Concentration, CMC），通常使用较低浓度就可以满足保护效果。其中吐温系列是zui常用的非离子型表面活性剂。

氨基酸类的保护剂

氨基酸是蛋白质的基本构成单位，其中zui主要的是α-氨基酸。它是由一个氨基（-NH2）、一个羧基（-COOH）、一个氢原子（-H）和一个R基团（-R）连结在一个α碳原子所组成。α-氨基酸及其两性离子的结构通式如下：

        氨基酸                                                   氨基酸的两性离子

由于氨基酸离子具有酸、碱两性，因此能够在生物制品的低温保存和冷冻干燥过程中能抑制溶液的pH变化，从而达到保护活性组分的目的。

此外，有许多氨基酸还是很好的填充剂。甘氨酸是的填充剂 。

其他添加剂

抗氧化剂

抗氧化剂的种类繁多，抗氧化的作用机理也不尽相同，但都以其还原性为依据。一种是抗氧化剂的自身氧化，消耗冻干样品内部和环境中的氧，使冻干样品物料不被氧化；另一种是抗氧化剂给出电子或氢原子，阻断冻干样品的氧化链式反应；还有一种方式是抗氧化剂通过抑制氧化酶的活性而防止冻干样品的氧化变质。 

将不同的抗氧化剂混合起来使用，比单独使用时，具有更高的效力，即混合抗氧化剂具有增效的作用。

缓冲剂

蛋白质具有两性电解质（amphoteric electrolyte）的性质，它既能和酸作用，又能和碱作用。当溶液在某一特定的pH值时，蛋白质所带的正电荷与负电荷恰好相等，蛋白质不显电性，这时溶液的pH值称为该蛋白质等电点（isoelectric point）。蛋白质在它们的等电点的环境下更为稳定。然而在的pH的环境下，高静电荷引起强烈的分子内电推斥力，会导致蛋白质分子的展开。

由于在蛋白质溶液的冻结过程中，溶液的浓度逐渐提高。在高浓度时可能会改变溶液的pH值，严重情况下会导致蛋白质变性，从而直接使得生物制品失活。所以，在生物制品的冻干保护剂配方中，往往要添加适量的缓冲剂。

 冻干加速剂

冷冻干燥过程耗时长、耗能多，因此迫切需要对冻干循环进行优化，降低生产成本。在冻干配方中加入适量的叔丁醇（Tertiary Butyl Alcohol）后，冻结时会形成针状结晶；冰晶升华后，留下了管状通道，使水蒸汽流动阻力大大减小，升华速率显著提高。

叔丁醇是一种小分子醇，分子式为(CH3)3COH，与水*互溶，具有低毒性、高蒸汽压，既可以单独作为冻干溶剂，又可以与水组成复合溶剂，目前的研究热点是叔丁醇-水复合溶剂。

在药品水溶液中加入叔丁醇能起到以下作用：

   （1）可以降低干燥层阻力，从而加速了干燥过程，缩短了干燥时间；（2）溶解难溶于水的药品；（3）使产品具有高的比表面积、好的外观、并易于复水；（4）可提高药品溶液和冻干品的稳定性；（5）有一定的抑菌作用。

物料含水量与冻干时间的关系

对于5%w/v蔗糖水溶液，不含叔丁醇时，蔗糖溶液干燥需要100个小时，含5%w/v叔丁醇时，蔗糖溶液干燥仅需10个小时，  

以上结论研究都是用控温、硅油加热，真空冷冻干燥机

冻干蔗糖溶液的扫描电镜照片

主要是因为不含叔丁醇时，溶液没有形成针状结晶，不利于水蒸汽的质量传递；加入叔丁醇后，形成了针状结晶，冰晶升华后，留下了管状通道，使水蒸汽的流动阻力大大减小。