(康宁白皮书)一种量化玻璃容器表面非均一性的新方法 ——化学耐久性比值(CDR)

1. 引言

自FDA于2011年发布相关警示以来，玻璃脱片（glass delamination）一直处于制药行业关注的前沿。所谓脱片，是指玻璃在腐蚀过程中，在药品中产生薄片状、肉眼可见的玻璃颗粒。已有研究表明，脱片颗粒的形成与玻璃瓶在拉管制瓶（tube-to-container conversion）过程中形成的表面化学组成非均一性密切相关。本文将介绍一种新的方法，该方法主要关注脱片风险的前导指标，并将其优势与现有依赖较长时间老化和薄片形成的筛查策略进行比较。

为了理解玻璃脱片的机理，需要分别评价玻璃容器在生产（制瓶转换）完成后，以及与药品接触并发生腐蚀后的表面化学组成。图1给出了一个商业化、具有脱片倾向的拉管硼硅酸盐玻璃瓶瓶跟部（heel）区域的深度剖面，采用动态二次离子质谱法（DSIMS）测定。结果显示，瓶跟部的玻璃组成中硼和钠均明显富集，其表面浓度超过玻璃本体组成的200%，分别达到约24 mol%和13 mol%。瓶底区域则表现出明显的硼、钠贫化，而瓶身侧壁基本保持不变。

在制瓶过程中，硼和钠会从瓶底表面挥发（贫化），并在瓶跟部区域重新沉积和进入玻璃表层（富集），从而使同一只硼硅玻璃瓶内部实际上形成三种明显不同的玻璃化学组成。正是瓶跟部区域中钠和硼的富集导致该处化学耐久性下降并增加玻璃脱片风险，因为钠和硼相关物种在水溶液中具有较高的溶解性。

图1采用DSIMS测得Ⅰ型硼硅玻璃瓶瓶跟部、侧壁和瓶底区域的硼（左）和钠（右）浓度深度剖面。

为了比较三个区域（瓶底、瓶跟部和侧壁）的相对化学耐久性，研究人员制备了与这些区域组成相匹配的玻璃样品，并采用USP <660> / 欧洲药典3.2.1 / ISO 720玻璃颗粒法进行评价：

·侧壁玻璃：与玻璃本体组成相同。

·瓶跟部玻璃：相对于玻璃本体组成，B₂O₃增加至2倍，Na₂O和CaO增加至1.5倍。

·瓶底玻璃：相对于玻璃本体组成，B₂O₃、Na₂O和CaO均降低至原来的约1/1.5。

图2所示的玻璃颗粒法结果表明，侧壁和瓶底区域均表现出HGA1（或USPⅠ型）的耐水解性能，而瓶跟部区域的耐久性极差，达到HGA3，甚至不能满足USPⅢ型玻璃颗粒法的要求。

图2具有与玻璃瓶内表面不同区域相同化学组成的玻璃样品，采用玻璃颗粒法评价耐水解性能。侧壁和瓶底组成表现出USPⅠ型性能，而瓶跟部组成甚至不能满足USPⅢ型玻璃颗粒法要求。

图3Ⅰ型硼硅玻璃瓶瓶跟部区域存在玻璃薄片（lamellae）的SEM图像。

当这种化学耐久性较差的瓶跟部区域暴露于水性药液时，其腐蚀速度比周围区域更快，并会在表面非均一性最严重的位置产生玻璃脱片（颗粒、薄片、lamellae）。图3展示了薄片生成的情况，可以观察到玻璃薄片从容器壁发生分离。

虽然DSIMS、XPS和SEM等化学表征技术非常适合评价与脱片相关的表面化学变化，但也存在明显局限，包括成本高、分析时间长、对技术人员要求高、样品制备可能影响结果，以及一次只能研究很小的区域（每个样品通常不足1 mm²）。目前的玻璃脱片试验方法，例如USP <1660>，同样不足以对脱片风险作出确定性判断。这些方法主要依赖观察玻璃薄片形成，但在建议的试验周期内经常观察不到薄片；在过于激进的试验条件下，薄片又可能因溶解而消失。此外，USP <1660>中的一些方法缺乏充分的处方性细节，容易造成实验室间方法差异，结果也往往是定性的、不可直接比较。

当前玻璃脱片试验方法的一些主要缺点包括：

·缺乏阳性对照：这会妨碍试验方法的验证。

·制瓶工艺波动：对某一批玻璃容器进行试验时没有观察到脱片，并不能保证未来批次也具有相同性能。

·过度加速：高温会提高溶解度限度，从而不能真实反映实际储存条件，并可能同时增加假阳性和假阴性。

·监测的是间接响应：例如溶液中的钠浓度并不是脱片的直接原因，也不能直接表示脱片倾向。

·高灌装体积导致响应被稀释：试验灌装体积可能与实际情况不符。

·试验周期长：往往需要数天至数月储存才能观察到薄片响应。

·难以在生产环境中实施：复杂缓冲液和特定储存温度可能需要超出常规药典试验的额外设备。

因此，本文提出了一种新的方法，用于定量评价制瓶转换工艺所造成的玻璃内表面化学组成改变程度——这种表面化学变化正是玻璃脱片的根本原因之一，同时该方法旨在解决现有脱片试验程序的局限。

2. 化学耐久性比值（CDR）方法

该方法被称为化学耐久性比值（Chemical Durability Ratio，CDR），因为其结果是对两种玻璃表面状态进行耐水解试验后所得滴定体积的无量纲比值。该方法旨在补充药典中的表面玻璃试验，适用于已经满足Ⅰ型玻璃性能要求的容器。对于这些容器，CDR结果可以揭示：即使目前均被归类为“Ⅰ型玻璃”，其性能仍可能存在显著差异，例如可提取物、可浸出物、玻璃脱片等；同时也有助于制药企业区分表面化学组成均一的容器与表面化学组成不均一的容器。

与现有方法相比，CDR采用较低的灌装体积，专门针对与药液直接接触、且化学耐久性较低的瓶跟部区域。CDR的定量结果可用于比较不同玻璃容器来源并与脱片风险建立相关性。此外，该方法使用现行USP和欧洲药典试验中已有的溶液和设备，因此便于制药企业和拉管玻璃供应商实验室实施。

2.1 新方法识别玻璃表面非均一性

CDR试验用于表征制瓶转换过程中形成的表面非均一性所导致的玻璃容器化学耐久性下降。总体上，该方法由三个步骤组成：

1.对“原始状态（as-received）”玻璃表面进行一次耐水解试验；

2.对玻璃表面进行蚀刻，以去除可能存在的表面化学非均一层；

3.对蚀刻后的玻璃表面再次进行耐水解试验。

图4给出了方法流程概览。“as-received”指药品生产企业收到的、已经可以进行清洗和灌装的玻璃容器（硫酸盐处理容器除外，后文另述）。原始状态容器按照USP <660>表面玻璃试验（或欧洲药典3.2.1A）进行处理，唯一明显的变化是灌装体积由药典表面玻璃试验的约90%满装容量降低至12.5%满装容量。CDR方法在清洗、灌装、高压灭菌和滴定等环节仍需保持与表面玻璃试验相同的操作严谨性，以确保结果一致。所得滴定体积记录为“as-received”响应。

图4CDR试验主要步骤示意图。步骤1中的红色区域代表研究关注的低耐久性区域；步骤2中的深橙色区域代表通过蚀刻去除的玻璃表层。

随后，对经过蚀刻处理的玻璃瓶实施第二次表面玻璃试验，以测量其下方基层玻璃的响应。蚀刻过程用于去除制瓶过程中沉积在表面或进入表层的物质。研究采用2.3 M HF / 4.6 M HCl作为目标蚀刻液，处理时间至少3分钟，以去除至少1 μm深度的玻璃表层。对于大多数Ⅰ型玻璃瓶，这一深度足以超过约300 nm的表面化学非均一层。蚀刻后通过浸水和冲洗去除酸性残留。

用于获得“etched”响应的玻璃瓶，可以是全新的独立样品，也可以继续使用此前用于“as-received”测试的玻璃瓶。蚀刻后的玻璃瓶仍按照表面玻璃试验操作，但同样采用12.5%满装容量。所得滴定体积记录为“etched”滴定响应。两种响应的比值即可作为表面非均一程度的定量指标。

图5CDR数学表达式：CDR = “原始状态”玻璃瓶滴定体积 / 蚀刻后玻璃瓶滴定体积；两者均在降低灌装体积条件下测定。

CDR = 原始状态玻璃瓶滴定体积 ÷ 蚀刻后玻璃瓶滴定体积

2.2 降低灌装体积可聚焦于表面非均一区域

选择12.5%满装容量，是为了最大程度覆盖瓶跟部区域——即化学耐久性下降最严重的位置，同时尽量避免大灌装体积带来的不必要稀释。该液面高度足以覆盖典型的表面非均一区域。图6给出了从瓶跟部向侧壁方向的XPS测量结果，对比“as-received”和“etched”玻璃内表面。

结果显示，瓶跟部区域的钠和硼富集最明显，这种富集沿瓶壁向上延伸数毫米，但在达到12.5%灌装高度之前已基本恢复至侧壁水平。比较“as-received”和“etched”结果还表明，本文采用的蚀刻过程足以去除上述表面化学非均一性，使玻璃内表面化学组成恢复均一。

图6采用XPS对玻璃瓶内表面进行定量表征，从瓶跟部向侧壁方向测量。原始状态硼硅玻璃瓶中，Na和B的富集从瓶跟部向上延伸数毫米，并在12.5%液面高度附近恢复至侧壁水平；蚀刻后这些富集基本被去除。

本方法开发过程中使用的玻璃瓶包括拉管铝硅酸盐玻璃瓶、模制玻璃瓶和拉管硼硅玻璃瓶。这些样品要么为商业化产品，要么为已知具有脱片倾向、存在表面非均一性的玻璃瓶。研究也纳入模制玻璃容器，因为与拉管玻璃相比，其成型过程中形成此类表面非均一性的风险较低。

2.3 方法应用可揭示脱片风险

图7展示了来自两个不同供应商、尺寸匹配的3 mL硼硅玻璃容器的典型结果。图左侧显示，在90%满装容量条件下按USP <660>进行表面玻璃试验时，两种容器均满足3–5 mLⅠ型容器的要求，即每100 mL试验液消耗0.01 M HCl不超过1.3 mL。

图中间比较同样两种容器在12.5%满装容量条件下的滴定体积。低灌装体积下得到的滴定体积明显高于常规USP <660>表面玻璃试验，这主要是由于瓶跟部区域的化学耐久性大幅下降，其次还受到玻璃表面积/液体体积比增加的影响。

图最右侧比较“as-received”容器与同一容器蚀刻后的滴定体积，蚀刻后滴定体积显著降低。由于两种条件下玻璃表面积/液体体积比相同，因此差异主要源于制瓶后实际表面的化学耐久性较差，而蚀刻后暴露出的基层玻璃耐久性较高。

图7来自不同供应商、尺寸匹配的3 mL容器进行USP <660>表面玻璃试验和CDR试验的示例。按常规90%灌装检测时两者均为Ⅰ型玻璃；降低灌装体积后差异被放大；CDR进一步区分了表面化学组成差异。

3. CDR数值的解释与脱片风险

CDR约等于1，表示原始状态玻璃瓶表面的耐久性与蚀刻后暴露出的基层玻璃相当，即两种表面之间差异很小、化学耐久性基本一致。CDR大于1，表示原始状态玻璃瓶的滴定体积高于蚀刻后玻璃瓶，即制瓶/成型过程中的挥发作用已经使表面化学耐久性发生劣化，容器可能具有更高的脱片风险。

CDR明显小于1时，可能表示玻璃表面经过处理，例如硫酸铵处理或硅化薄膜涂层。硫酸铵处理的Ⅰ型硼硅玻璃容器不宜直接采用CDR方法评价，因为这种表面处理会掩盖所关注的非均一性，使所得比值不能与脱片风险直接相关。

当该方法应用于多种药用玻璃容器时，结果与文献和FDA警示中报道的趋势一致。图8汇总了100多个独立CDR测量值，并按容器类型分组。

图8不同类型玻璃容器的CDR结果。数据点旁标签表示玻璃壁厚（mm）和容器容积（mL），误差线为测定值的95%置信区间。

3.1 拉管硼硅玻璃、模制玻璃与铝硅酸盐玻璃的差异

在图8最下方的商业化拉管硼硅玻璃组中，脱片风险未知的产品表现出很宽的CDR范围，约为2～9。结果显示，较厚的容器壁往往对应更高的CDR：壁厚1.2 mm和1.5 mm的容器CDR约7～9，而壁厚1.0 mm和1.1 mm的容器多在2～4。该差异与厚壁容器在成型和制瓶转换时需要更多热量相一致。若采取特殊工艺控制，也可能制造出较低CDR的厚壁容器，例如一只30 mL、壁厚1.5 mm的容器其CDR约为2。

对10种以上已经确认存在玻璃薄片的玻璃瓶类型进行测试后发现，已发生脱片的拉管硼硅玻璃容器CDR均大于5。这提示可能存在一个CDR阈值：当CDR高于该水平时，容器进入已知的玻璃脱片风险区域。

与拉管容器相比，模制硼硅玻璃在成型过程中发生的表面化学组成改变更小。图8中，广泛规格的模制硼硅玻璃容器CDR始终保持在约0.8～1.5，所测试容器的标称容量为5～1000 mL，既包括无色玻璃也包括棕色玻璃。这种均一的表面化学组成表明瓶内表面的化学耐久性均匀（CDR接近1），与模制容器较低的脱片风险一致。

研究还考察了采用“无硼（boron-free）”或铝硅酸盐玻璃组成的拉管玻璃瓶。这类玻璃的设计目标是消除脱片的根本原因之一，通过降低制瓶转换过程中的挥发程度，从而减少甚至消除脱片。如图8所示，这些容器的CDR可以接近1，表明制瓶过程没有造成明显的化学耐久性下降。

误差线所显示的高变异性进一步证明，已知发生脱片的拉管玻璃瓶之间存在较高程度的非均一性；而拉管铝硅酸盐玻璃和模制硼硅玻璃的数据变异性较低，支持其表面更均一的判断。

4. SEM对表面非均一性的进一步验证

图8中CDR所反映的性能范围，也得到玻璃瓶内表面SEM形貌变化的支持。图9展示了两类有代表性的表面：非均一表面具有明显的化学组成变化和表面形貌特征，而均一表面则表现为组成均匀、形貌平滑。图10和图11进一步显示，玻璃暴露于水后，表面化学变化及耐久性下降所引起的形貌和强度变化会随CDR升高而增强。

图9拉管硼硅玻璃容器内表面（左）与铝硅酸盐玻璃容器（右）的SEM图像。上排为成型后的原始状态，下排为与水一起高压灭菌进行耐水解试验后的状态。

具有均一、高化学耐久性表面组成的容器，其脱片风险最低，CDR通常约为0.5～2.0。若制瓶转换过程控制较好，只产生轻微表面非均一性，则CDR通常约为2～5。虽然较低数值更理想，但该区间内较高的CDR（例如约4）仍意味着更高的脱片风险。CDR大于5的容器已被证实存在足以引起脱片的表面非均一性。至于受腐蚀区域最终何时脱落进入溶液形成玻璃薄片，则取决于溶液本身的腐蚀性。

5. CDR可作为玻璃脱片风险的前导指标

与现有筛查策略相比，新的CDR方法在定量评价玻璃脱片风险方面具有以下显著优势：

·直接评价实际会与药品接触的玻璃内表面，而不是像玻璃颗粒法那样评价人为破碎形成的断面。

·能够对更大的容器总体样本进行取样，而不是仅研究单个容器或单一位置。

·当存在表面非均一性时，可定量评价化学耐久性差异——也就是脱片的“原因”，而不是仅监测玻璃薄片是否已经形成这一“症状”。

·避免大液量产生的稀释效应，并采用具有药学意义的灌装体积：表面玻璃试验以90%灌装量评价高风险区域以外的整体性能，而CDR的低灌装量专门聚焦高风险区域。

·相对于其他脱片试验显著缩短试验时间：数小时，而不是数天或数月。

·对于已经熟悉USP <660>试验的制药企业和拉管玻璃供应商实验室，方法容易实施。

6. 结论

本文报告的CDR结果表明，按照USP <660>和欧洲药典3.2.1被判定为“Ⅰ型”的玻璃瓶，其实际化学耐久性仍可能存在很大范围的差异。CDR方法已经证明能够定量区分已知存在性能差异的玻璃容器群体，包括已知发生脱片的玻璃瓶。未来仍需更多工作进一步细化随着脱片风险增加而对应的CDR范围。

SEM、XPS和DSIMS结果均证实，CDR越接近1，说明玻璃表面相对于其下方基层玻璃越一致，因此脱片风险越低。玻璃制造商可以利用该方法理解和改进产品或实施过程控制；制药企业也可以在容器选择阶段使用该方法评价不同容器的相对风险和性能，并在商业化生产过程中用于监测来料玻璃容器的质量。