Phénomènes physiques à la base de la lyophilisation
Lyophilisation de produits pharmaceutiques et biopharmaceutiques

La lyophilisation est un processus de déshydratation, consistant à éliminer l'eau à partir de la sublimation de la glace. La substance résultant de cette opération, le lyophilisat, se présente à l'état solide friable et très poreux. De ce fait, il se caractérise par une très grande affinité avec un solvant (l'eau en général). Cette propriété est probablement à l'origine de la dénomination du processus de lyophilisation, le mot lyophile signifiant « ami des solvants » d'après le grec « lyophile ». Il s'agit à l'origine d'un phénomène naturel, qui permettait la conservation de certains aliments, par des populations bénéficiant de la combinaison de différentes conditions climatiques (vents froids et secs, chaleur solaire et atmosphère raréfiée) réunies dans des régions montagneuses. La lyophilisation a commencé à être utilisée à l'échelle industrielle pendant la seconde guerre mondiale, pour pouvoir acheminer le sang humain sur de longues distances, lorsque la demande est devenue critique. Elle est devenue aujourd'hui une opération industrielle particulièrement répandue dans les domaines de l'agroalimentaire et de la pharmacie. Malgré cette industrialisation et une utilisation croissante, la technologie basée sur le maintien d'un produit sous vide à basse température pendant de longues durées reste très coûteuse et utilisée pour des produits à forte valeur ajoutée. Dans le domaine pharmaceutique, la lyophilisation est utilisée pour conserver les vaccins, et de nombreux produits pharmaceutiques et biopharmaceutiques, très labiles en solution, émanant du développement intensif des biotechnologies pour ces derniers.

Afin de réduire les coûts d'un cycle de lyophilisation et d'obtenir un lyophilisat conforme aux normes requises pour la commercialisation, il est nécessaire d'optimiser les différents paramètres, liés à la formation de la glace, et à la transformation de la glace en vapeur d'eau afin de réduire la durée de l'opération de sublimation de la glace. L'optimisation de ces paramètres, pour réduire la durée de la sublimation, nécessite la compréhension de phénomènes physiques associés aux transfert thermique, transfert de matière et transformation de phase de l'eau et des mélanges eau-soluté. Les opérations de congélation et de sublimation doivent pouvoir être contrôlées, de manière à être stoppées dès que nécessaire afin de ne pas allonger inutilement la durée d'un cycle de lyophilisation.

Lors de la lyophilisation de produits biopharmaceutiques (peptides, protéines), ceux-ci sont exposés à différentes sources de stress (telles que la formation de glace, la forte variation de pH, la basse température, la déshydratation…), qui peuvent induire une perte d'activité biologique et rendre le principe actif inefficace. Des excipients sont souvent utilisés, constituant des formulations complexes et élaborées de manière empirique.

Cet article montre les différents phénomènes physiques impliqués dans la technique de lyophilisation, et présente les principaux paramètres (aussi bien au niveau du mode opératoire que de la formulation) qui doivent être optimisés et/ou contrôlés de manière à ce que le produit pharmaceutique respecte les normes requises pour être commercialisable et à moindre coût.