原子层沉积技术制备的光敏药物专用玻璃瓶：满足药典透光性标准的新型解决方案

这篇研究报道了采用原子层沉积（ALD）技术在标准I型硼硅酸盐玻璃瓶表面构建TiO2/SiO2分布式布拉格反射器（DBR）的创新方法。通过优化工艺条件和结构参数，实现了290-450 nm波长范围内<10%透光率的药典最严标准，同时保持对可见光区颗粒的100%检测率，显著优于传统琥珀色玻璃瓶。该技术解决了重金属掺杂玻璃带来的浸出物风险和视觉检查障碍，为生物制剂等光敏感药物提供了可调控的光保护方案。

　　

摘要

现代生物制剂对初级包装提出更高要求，传统通过掺入重金属（Ti、Fe、Mn）使玻璃着色的方法存在浸出物风险且影响内容物视觉检查。研究团队开发了基于原子层沉积（ALD）的新型解决方案，在标准I型硼硅酸盐玻璃瓶表面构建TiO₂/SiO₂分布式布拉格反射器（DBR），实现特定波长光的可调屏障。优化后的结构满足药典对有色玻璃最严格标准（290-450 nm波长透光率<10%），在自动视觉检测（AVI）中颗粒检测率达100%，性能与透明玻璃瓶相当且显著优于琥珀色玻璃瓶。

1 引言

琥珀色玻璃作为光敏感药物包装已有百余年历史，其通过掺入钛、铁等元素改变光学特性，但会吸收约50%可见光并可能降低玻璃化学耐久性。药典规定290-450 nm波长透光率标准为10-25%（依容器体积而异）。治疗性蛋白药物中80%对光敏感，且液体制剂更易发生光降解。理想的初级包装需兼顾光保护和内容物检查，美国药典（USP）要求100%药物需经过光学检查。

原子层沉积（ALD）因其优异的保形性，可在复杂三维结构上实现均匀镀膜。二氧化钛（TiO₂）和二氧化硅（SiO₂）作为成熟ALD工艺材料，已广泛应用于医药领域。分布式布拉格反射器（DBR）通过高低折射率材料交替堆叠实现特定波长反射，其中SiO₂（n≈1.45）和TiO₂（n≈2.3-3.5）因其折射率差异成为理想组合。

2 材料与方法

实验采用Picosun R-200 ALD系统，在350°C下以N₂为载气沉积TiO₂/SiO₂多层结构。通过椭圆偏振仪监测膜厚，紫外-可见分光光度计测量透射/反射光谱。设计三种DBR结构：固定单层厚度增加周期数（1-3个周期）、固定双周期改变层厚（目标波长350/400/450 nm）、以及最优结构在玻璃瓶上的沉积。自动视觉检测使用5320×4600像素分辨率系统，评估四种颗粒（玻璃/金属/纤维/塑料）在透明瓶、ALD镀膜瓶和琥珀色瓶中的检测率。

3 结果

折射率测量显示SiO₂在250-700 nm范围内n值恒定（1.45-1.50），而TiO₂在300 nm处存在明显峰值。增加DBR周期数使400 nm处透光率从13%（单周期）降至1.6%（三周期）。调整层厚可实现反射峰位调控，36 nm TiO₂-68 nm SiO₂双周期结构满足药典最严标准（450 nm处透光率6%），且入射角在0-75°变化时均符合要求。

光学检测显示ALD镀膜瓶颗粒检测率达100%，与透明瓶相当；而琥珀色瓶对金属颗粒检测率仅60%。镀膜瓶在环境光下呈现适度反射性，内容物仍可辨识；琥珀色瓶则近乎不透明。光谱分析表明ALD结构在290-450 nm波段透光率<10%，而1 mm厚琥珀色玻璃在430 nm以下才达到同等防护水平。

4 讨论

ALD镀膜通过DBR结构实现"光学滤波"效应：TiO₂层吸收UVB/UVC，DBR反射UVA/部分可见光。该方法克服了传统琥珀色玻璃的两大缺陷：无需重金属掺杂避免浸出物风险；保持>450 nm高透光率便于视觉检查。对于20 mL以上容器，琥珀色玻璃需增加壁厚以满足透光标准，而ALD方案不受此限制。

自动检测中ALD瓶表现优异源于：①保持可见光区高透射率；②颗粒与背景的强对比度；③闪光灯下的清晰反射信号。该技术可延伸至注射器、药瓶等其他医药包装，且低温工艺适用于环烯烃聚合物（COP）等热敏感材料。

5 结论

ALD制备的TiO₂/SiO₂ DBR结构为光敏感药物提供了革命性包装解决方案，在满足药典光保护要求的同时，突破了传统琥珀色玻璃在内容物检查方面的局限。该技术采用医药行业熟知的材料体系，通过纳米级镀膜实现功能优化，为生物制剂等高端药物提供了更安全、可靠的包装选择。