Application of TTI in quality control of the military thermo-sensitive drugs

TTI具有时间、温度的累积记忆效应，在药品包装领域具有重要的应用价值。早在20世纪60年代，国外就进行了相关研究并开始商业化应用，到了20世纪70年代，美国政府就将TTI应用于某些特殊药品。目前，国外相关领域已相继开发出较成熟的商业化TTI，如瑞典Vitsab公司的Vitsab Check Point，美国Lifelines公司的Fresh Check，DeltaTRAK公司的WarmMark，3M公司的Monitor Mark和Freshness Check，TEMPTIME的VVM、FREEZEmarker、LIMITmarker I和LIMITmarker F^[1-2]。近年来，针对TTI的研究主要集中于扩散型、聚合型、酶型和微生物型4个类别^[3-4]。

扩散型TTI的原理较简单，该项技术也较成熟，其基本原理是利用物质的扩散特性，如有色酯质染料，其指示范围和指示效期取决于酯质类型。当环境温度低于指示剂熔点时，TTI无响应；随着环境温度的升高，TTI的热熔性指示剂开始熔化，并沿毛细纤维扩散，且温度越高，扩散速度越快，以此来判断药品的剩余效期。扩散型TTI可在低温环境下长期保存，世界卫生组织（WHO）曾将其用于船运冷冻疫苗的监测，是最早研发的TTI之一。在商业化TTI中，美国3M公司的Monitor Mark和Freshness Check是典型的扩散型TTI^[5]，Monitor Mark的扩散剂为酯质染料，可用于药品、疫苗和血液制品的储存温度监测，使用前需存储于低于酯质熔点的环境下；Freshness Check则根据无定型材料沿多孔基质扩散，改变了多孔基质的透光率的原理制成，可用于食品的储存温度检测，可存储于室温环境下。艾志录等^[6]研制了一种采用水杨酸甲酯、γ-己内酯和着色剂作为指示剂的扩散型TTI，通过调节水杨酸甲酯和γ-内酯的配比即可改变指示器的临界温度，以适应不同使用需求，但混合指示剂的凝固需要在-80 ℃下进行，制作难度较大。谢新华等^[7]在此基础上进行了改进，采用月桂酸乙酯、ε-己内酯和着色剂作为扩散指示剂，有效提高了指示精确度。

聚合型TTI是利用聚合单体发生聚合反应，生成有色固态聚合物，在反应过程中，颜色逐渐加深至可识别，指示时间-温度变化。最常见的是以丁二炔为指示剂的聚合型TTI，当外界环境温度变化时，指示剂激活，开始聚合反应，形成聚合物，指示区随着聚合反应的进行，颜色逐渐变深^[8]。美国Lifelines公司的Fresh Check就是一款商业化的聚合型TTI，活性中心的无色双取代丁炔单体，随时间-温度变化发生聚合反应，生成聚合物而逐渐变黑^[9]。Lee等^[8]把4,4′-双(2-苯并鰁唑基)二苯乙烯引入到乙烯和降冰片烯中形成共聚物，温度升高至共聚物玻璃化转变温度（Tg）时，发生相分离，染料随即聚集变色。王斌等^[10]研制的一种聚合型TTI，其反应活化能与军用食品的质变活化能相近，反应速度较慢，可用于指示保质期较长的食品效期。

酶型TTI实质是一种pH值指示器，通过酶促反应产生酸，致使整个体系的pH值变化，致使pH指示剂的颜色改变，且温度越高，体系反应速率越快，通过指示剂颜色变化即可判断产品的剩余效期^{[5, 11]}。瑞典Vitsab公司的Vitsab Check Point就是一种基于酶促水解反应的TTI。冯钦等^[12]研制出了以碘为指示剂，基于淀粉酶促反应的TTI。吴秋明^[13]研制出了基于脲酶反应的TTI。宁鹏等^[14]研制出了基于碱性脂肪酶的TTI。谷雪莲等^[15]研制出了用于预测牛乳货架期的TTI。王琳等^[16]研究了一种固定化糖化酶TTI，并将其应用于酸奶的质量监测。Kim等^[17]还研究了一种基于漆酶的酶型TTI。

微生物型TTI的产酸原理则是基于无害细菌的新陈代谢，亦是由pH值的降低发生指示剂颜色变化。由于食品腐败主要由微生物的新陈代谢引起，因此，微生物型TTI就是模仿食物的变质过程，常用于指示食品效期，能够更加真实地反映食品的质量^[18]。法国Cryolog公司的eO和TRACEO是典型的微生物型TTI，主要用于食品质量监测^[12]，eO是一种比色标签，利用乳酸菌分解培养基中的碳源，产生乳酸致使pH值下降，致使指示剂变色的原理制成；TRACEO则是一种条形码标签，随时间-温度变化标签透明处逐渐变色至条形码被遮住，指示食品过期。常用于该类型TTI的微生物包括乳酸菌、弧菌、芽孢杆菌和清酒乳酸杆菌等^[19]，闫文杰等^[20]采用大肠杆菌、美蓝指示剂和液体培养基研制了一种微生物型TTI，用于食品在冷链流通过程中的质量监测。卢立新等^[21]采用乳酸菌、甲基红和溴甲酚绿研制了一种低温TTI。张小栓等^[22]采用副干酪乳杆菌、溴甲酚绿和肉汤培养基研制了一种用于指示鲜食葡萄品质的微生物型TTI。

一些温度敏感型军队药品如疫苗、血清、注射液等，在运输和存储过程中对环境温度有着更加严格的要求。以疫苗类药品为例，其主要成分为灭活病毒、蛋白类或多糖类物质，从疫苗生产企业到疫苗接种现场之间的每一环节，都有可能因温度过高致使疫苗失效。为了保证疫苗在运输、储存过程中的安全，确保接种疫苗的有效性，可在疫苗标签上印刷或粘贴时间-温度指示标签，全程监控其质量稳定性^[23]。

2007年，在日内瓦联合会议上，WHO和联合国儿童基金会（UNICEF）推荐所有成员国将时间-温度指示标签最大程度地用于疫苗管理。TTI技术现已得到各国政府大力支持，如印度明确要求政府采购的疫苗必须使用时间-温度指示标签，我国成都生产的乙脑疫苗也使用了时间-温度指示标签^[24]。在卫生部和国家食品药品监督管理局印发的《疫苗储存和运输管理规范（2017年版）》中明确要求，对招标的疫苗制品加贴温度控制标签^[25]。目前，美国TEMPTIME公司是唯一能符合WHO严格规程标准的时间-温度指示标签生产商，其研制的疫苗热标签 (vaccine vial monitor，VVM)广泛运用于各国疫苗的包装运输中。2010年，WHO发表了白皮书草案，即“对WHO资格预认证候选疫苗的计划适应性评估”，其中VVM被作为资格预认证的关键特性。

VVM是一款典型的聚合性时间-温度指示标签，利用经取代的丁二炔单体固态聚合反应，发生不可逆的颜色变化来指示时间-温度变化，颜色随聚合反应的进行由浅变深。如图1所示，指示器中间的方框是含有热敏性物质的活性部分，未激活前颜色很浅，随时间-温度的变化颜色不可逆的逐渐变深（从左至右），且温度越高颜色变得越快。当方框内颜色与圆环参照颜色一致时到达终点，指示药品至效期，疫苗不可用^[26]。该过程可根据阿列纽斯聚合化学反应方程式（arrhenius equation）来实现。

式中，k: 变化数值；A₀: 频率因子；e: 自然常数；Ea: 活化力(J/mol)；R: 通用气体常数(8.314 × 10⁻³ kJ/mol·K)；T: 绝对温度(K)

VVM系列包括VVM2、VVM7、VVM14和VVM30共4种类型，后缀数字代表了在37 ℃时指示效期终点所需的最高天数，几乎涵盖了不同热稳定性疫苗，如VVM2适用于热稳定性最敏感的口服脊髓灰质炎病毒活疫苗（OPV）^[27]，而VVM30则适用于热稳定性最强的乙肝疫苗和破伤风疫苗^[28]，具体参数详见表1。

美国DeltaTRAK公司的WarmMark时间温度标签是一种扩散型时间-温度指示标签，用于指示药品所处环境温度是否高于适宜保存温度，并显示出高温存放情况持续的时间。如图2所示，当标签暴露于指示温度以上的环境时，垫片内的红色化学剂开始融化，并沿内管下流；当环境温度低于指示温度时，指示剂停止移动。

WarmMark根据指示温度的不同分为−18、0、5、8、10、20、25、30和37 ℃共9种类型，指示精确度在（标识温度±1）℃内，且温度记录不可逆。每张标签设计有3个显示窗口，用于指示响应暴露时间，具体参数详见表2。

WarmMark的可指示温度范围较广，显示的反应时间也更明确，适用于大部分对储运温度有明确要求的药品包装，如需阴凉条件下（不超过20 ℃）储存的注射液等，为不同军队温敏型药品的质量监控提供了更多选择。

相对于长期暴露于高温环境中造成的药品效期缩短问题，短期暴露于极端温度环境中的药品质量安全同样不容忽视。美国TEMPTIME公司针对此类问题相继开发了一系列临界温度指示器，用于显示药品短期暴露于极端温度环境情况，包括FREEZEmarker冷冻指示器、LIMITmarker I过热立即反应指示器和LIMITmarker F延时高温指示器。

FREEZEmarker冷冻指示器用于显示药品是否曾暴露于冷冻环境中，以识别低温导致的药品变质、失效问题。如图3所示，当指示器所在环境温度高于指示温度时，可以看见绿色圆圈中的白色勾号；当暴露在低于指示温度的环境时，绿色圆圈将呈现白色不透明状。FREEZEmarker根据指示温度分为0、−1和−6 ℃ 3种类型，反应时间均在30 min内。

LIMITmarker I过热立即反应指示器（图4）和LIMITmarker F延时高温指示器（图5），均用于显示药品是否曾暴露于超高温环境中，以识别超高温导致的药品质量安全问题。两种指示器都是基于热熔性材料在指定温度下融化，产生颜色变化的原理。当暴露于高于指示温度的环境时，LIMITmarker I颜色从灰色变为黑色；LIMITmarker F颜色从无色变为红色。其中，LIMITmarker I根据指示温度分为40、44和50 ℃ 3种类型，反应立即发生，时间在15 s内；LIMITmarker F根据指示温度分为9、17.5、25和31 ℃共4种类型，反应时间均为2 h。

目前，酶型和微生物型TTI因反应时间较短，多用于指示食品效期，扩散型和聚合型TTI指示时间与药品效期较为接近，在药品效期判定方面更有优势，适用于不同种类温敏型军队药品的效期控制。军队药材保障是卫生勤务的重要组成部分，应符合卫生勤务保障规律。在温敏型军队药品外包装上加贴时间-温度指示标签，可通过标签上承载的效期信息，对温敏型军队药品在生产、流通、储存过程中各关键环节进行监控和管理，通过了解药品的温度暴露情况，区分失效药品与有效药品，掌握相应药品的保障情况，减少药品报废数量，及时进行调配和补给，实现温敏型军队药品的精准保障及质量安全问题的预警溯源。