双螺杆挤出技术在实现精准可扩展制药生产中的关键作用
2026年02月13日 阅读时长7分钟
赛默飞世尔科技应用专家玛加蕾特·里希特博士向《药物制造者》阐述双螺杆挤出与连续制造技术如何助力生物科技企业降低工艺放大风险、提升生产精度，并加速从实验室到中试生产的创新进程。
问：双螺杆挤出机如何解决从研发到中试生产放大的核心挑战？
双螺杆挤出机通过实现连续化生产解决多项工艺放大难题。相较于间歇式生产，该设备使制药企业能在不同规模下维持相同的温度、压力、剪切速率等关键工艺参数，确保从研发到中试生产过程中物料特性与产品质量的一致性。
工艺放大的关键优势源于几何相似性原理，该原理保证了无论批次规模如何变化，几何结构、运动学及动力学特性均保持恒定。基于此设计的挤出机具有天然可扩展性——当不同规格设备采用相同的螺杆与机筒设计比例时，物料将经历近乎完全一致的加工环境。例如，在11毫米实验室挤出机开发的配方，仅需微调即可平滑转移至24毫米生产机组。
实时监测系统为挤出过程增添关键控制维度。操作人员可连续追踪扭矩、温度及压力数据，即时捕捉异常情况。这对处理昂贵活性药物成分（API）至关重要，因必须最大限度减少物料浪费。通过精准识别偏差，操作人员能迅速响应，从而提升产品一致性并降低批次间差异——这在工艺放大阶段尤为关键。
连续化生产还提供灵活的扩产路径。制造商无需投入巨资购置大型设备，而是通过延长运行时间或增加并行产线实现产能提升。这种"横向扩展"模式通常比传统放大方法更具成本效益，并能实现更可靠的制造过程。
问：为何精度与可重复性在制药生产中日益关键？
患者安全是制药生产的首要准则。药品生产中即使微小波动也可能影响药效，最严重时甚至导致意外副作用或危害。现代法规包括更严格的药品生产质量管理规范（GMP）指南，正因如此才不断收紧要求。精度与可重复性确保每剂药品含有精确剂量的活性成分，最大限度减少污染风险并提升成本效益。
除患者安全外，双螺杆挤出等先进技术通过保障精度与可重复性，可简化生产流程、增强成本效益并优化稀缺或昂贵原材料的利用。新型候选药物常存在溶解性差或需使用高价原料的问题。当活性成分单价高达数千美元/千克时，制造商无法承受因批次不合格造成的损失。双螺杆挤出机通过提供稳定的混合与加工环境，显著减少物料浪费。
精准医疗的推进还催生了固定剂量复方制剂等新型药剂形态，即单剂型中包含两种或多种活性成分，要求对每种原料的分布实现精准控制。传统间歇法无法满足此需求，而连续化工艺中的先进技术则能实现这一级别的精准管控。
问：当与挤出工艺整合时，连续造粒和3D打印等技术带来哪些优势？
除双螺杆挤出外，3D打印与连续造粒技术正助力药物开发者创建更高效定制化解决方案。这些技术在保障精度与可重复性的同时，减少工艺步骤并降低出错概率。
连续造粒彻底改变了药片制造方式。传统湿法制粒需经混合、制粒、干燥及研磨等多步工序，而双螺杆系统的连续造粒将其整合为单一连续流程。这缩短了研发周期，增强对市场需求的响应灵活性，并借助过程分析技术（PAT）减少人为操作误差。
此外，热熔挤出是熔融沉积成型（FFF）3D打印所需线材的标准制备工艺。双螺杆挤出机可在单步加工中集成多项单元操作：熔融、复合、药物分散及线材塑形，既提升工艺效率又减少加热环节——这对控制杂质生成至关重要。
问：针对复杂或罕见病治疗研发的生物科技企业，这些技术如何加速创新？
对研发复杂或罕见病疗法的生物科技企业而言，连续制造技术至关重要。相较于其他生物技术公司，它们面临独特挑战：常需使用针对小患者群体的高价活性成分，且原料数量有限。这使得工艺缩小能力变得关键——产品需求越小众，灵活性与短开发周期越显重要。
现代双螺杆挤出机正改变这一局面。实验室级设备每小时可处理低至20克物料，完美适配早期研发。当进入临床试验阶段时，相同配方无需大幅调整即可直接放大至中试生产。
该技术对罕见病药物开发尤为有利。根据美国食品药品监督管理局（FDA）定义，此类药物针对患者少于20万人的疾病。面对较小市场规模，制造商亟需能高效生产多规格批次的灵活系统。
问：如何降低从实验室到中试生产过渡阶段的风险？
建议尽可能采用绝热条件运行工艺，即不进行热交换。在小型挤出机中物料升温降温迅速，而大型系统则蓄热更多，可能改变配方行为。通过逼近绝热条件运行，可使工艺放大过程更可预测。
其次，需匹配不同规模设备的比机械能量消耗（SMEC）。该指标衡量每千克物料消耗的机械能量，保持该值恒定能使物料在不同规格挤出机中经历相似加工过程。
研发阶段需详尽记录所有操作——不仅包括成功案例，还应涵盖失败与临界情况。这些数据常揭示工艺边界的关键信息。最后，尽可能在不同规模设备中使用相同螺杆构型。虽然无法完全精确匹配，但保持相似的混合区与输送元件有助于确保产品质量一致性。
问：生物科技企业对实施先进制造技术存在哪些主要误解？如何纠正？
常见误解是认为安装先进系统后即可立即投产。但工艺开发环节不可跳过，因每种配方均需针对性优化。制药企业必须考量温度分布、螺杆构型、进料速率及聚合物选择等变量。先进制造技术助力成功，但不保证成功。
另两大误解涉及监管要求与成本认知。部分企业误以为连续化生产会复杂化FDA审批流程。实际上，监管机构积极鼓励此类技术，因其能提供更优的过程控制与文档记录。此外，尽管双螺杆系统需前期投入，但通过提高收率、减少浪费及加速开发周期，长期成本显著降低。
问：在日益激烈的生物制药格局中，成熟高效的工艺放大方案将如何演变？
制药行业面临加速开发更廉价药品同时维持同等质量的压力。采用成熟高效的工艺放大方法不仅能驱动创新，更能创造真实市场优势。实现此目标的企业可更快从发现走向上市，降低开发成本并获取更高市场份额。
医疗行业向个性化医疗的转型要求灵活的生产体系。未来系统必须能高效处理小批量特种药品，而双螺杆挤出提供的可扩展性使其完美契合此需求。
连续化工艺也是更可持续的选择，其能源消耗与废物产生通常低于间歇法。在日益严格的环保法规环境下，这些优势很可能转化为竞争必需条件。
问：您认为哪些新兴技术或工艺创新将主导未来十年药物开发与制造？
可注射植入剂领域正获得显著关注，这代表药物递送方式的重大变革。这些常通过热熔挤出制成的微型植入体，可在数周、数月甚至数年内持续释放药物。对需长期治疗的患者而言，植入剂能提升用药依从性并改善健康结果。药物可在精准部位释放，避免全身性用药，从而减少副作用并提升疗效。
问：最后还有什么补充建议？
生物科技企业必须认识到，成功不仅依赖设备，更需深入理解工艺背后的科学原理。将技术能力与深度工艺知识相结合的组织，将在制药创新前沿占据主导地位。工具已然存在，关键挑战在于生物科技企业如何创造性应用它们，解决医疗健康领域最紧迫的问题。
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