이물검사

이물이란 : 주사제 용액 중 이동성이 있고, 의도치 않은 기포를 제외한 불용성 입자 

이물을 육안 검출하는 것은 제품과 입자의 크기, 모양, 색상 등에 따라 달라지는 확률적인 과정

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제조업체는 

①  제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 불용성 이물을 확인하고 크기(Size), 수량(Quantity), 구성성분(Composition)을 명확하게 해야 함.

② 이물검사 작업원에 대한 교육에 활용할 수 있도록 사진 또는 그림 등의 시각적인 교육 자료를 갖추어서 

이물 발생 원인을 파악하고 모니터링하기 위한  관리 방법과 이물 발생을 방지하기 위한 관리 전략을 마련해야 함

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발생 원인에 따른 이물의 구분

제품 고유 입자(Inherent particulates)

 - 제품 본래 특성으로 발생하는 이물로 단백질 입자, 리포좀 입자  등

 - 보통 바이오의약품에서 단백질 입자는 제품 또는 제형의 특성과 관련이  있으며, 제품의 일부로 보아야 함.

 - 입자가 제품 고유 특성이고 제품 출하 규격을 충족한다면, 입자의 존재가 제품의 부적합 사유가 되어서는 안 됨.

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제조기구 및 자재에서 유래한 이물(Intrinsic particulates)

 - 제조공정 중 사용하는 제조기구, 설비 및 자재 등에서 유래된 이물

 - 제품 충전용 바이알, 고무전, 포장자재 및 제조 기구를 신중히 선택하고, 원자재의 품질 관리를 통하여 

   제조 공정 이 시작되기 전에 이물을 제거해야 함

 - 제조공정 중 이물이 생성되는지 여부를 확인하기 위한 검증을 수행하여야 함

 - 제조기구 마모 등 시간이 지남에 따라 이물 발생을 유발할 수 있는 제조기구를 대상으로 취급, 세척 및 

   멸균 공정에 따른 이물 발생에 대한 영향평가를 수행하고, 이를 통해 적절한 취급, 세척 및 멸균 방법을 설정

 - 자재에서 유래한 이물은 제품용기 또는 포장자재의 특성 및 안정성과도 연관됨 


제조환경에서 유래한 이물(Extrinsic particulates)

 - 제품과 직접 접촉하지 않는 제조 환경에서 발생하는 이물

 - 작업복에서 발생하는 섬유(Fiber) 등

 - 제조환경에서 유래한 이물은 제품 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며 미생물 오염 등의 문제를 발생

 - 제조환경에서 유래한 이물은 부적절한 제조지원설비 (공기조화장치, 제조용수제조장치 등), 환경모니터링 

   계획, 제조 설비의 설계, 동선 흐름 등이 있음

 - 이물 발생을 최소화하기 위해서 수명 주기 접근법(Life-cycle approach)을 고려해야 함

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이물검사의 한계

제조소에서는 자격을 갖춘 이물검사 작업자 또는 자동 이물검사기를 통해 제품의 각 제조단위에서 불용성 이물을 검출하고 있다. 

품질보증(QA)부서에서는 품질허용기준(AQL) 시험을 위하여 각 배치에서 적절한 수량의 검체를 채취한다.
이때, 출하 시점의 제품에 포함된 불용성 이물의 크기는 검출확률(PoD, Probability of Detection)에 근접하기 때문에 검출 가능성이 낮아진다는 것을 인식해야 한다.

이물검사 공정을 통해 제품이 전수 검사(100% Inspection)가 될 것이라는 오랜 기대가 있었으나, 육안으로 실시하는 이물검사 공정 자체가 입자의 크기 및 모양에  따라 달라지는 확률적인 특성을 가지고 있으므로 무결성(Zero defects)을 보증하기는 어렵다.

검출확률(PoD)은 입자의 크기, 모양, 색상, 밀도, 수량, 반사율 등과 같은 여러 가지 요소(Factor)에 따라 결정된다. 따라서 이물검사 기준을 설정 시, 해당 요소(Factor)에 따른 사람의 능력(Human performance)을 먼저 이해해야 한다.

단일 구형 입자 표준품으로로 수행된 여러 연구결과에 따르면, 2,000~3,000 lux의 조명을 사용하여 
10mL의 투명 바이알에 투명한 용액에 담긴 50µm의 입자를 넣은 표준품에 대한 검출확률(PoD, Probability of Detection)은 0%를 약간 상회 하는 수준이었다. 즉 거의 검출하지 못한다는 의미다.

표준품을 100µm의 입자로 하면 검출확률은 약 40%~60%까지 증가하였으며, 직경의 크기가 150µm의 입자는 되어야만 육안 이물검사에 대한 신뢰성이 있는 검출확률값(≥70% PoD)을 나타내었다. 

일반적으로 95%이상의 검출확률(PoD)을 달성하기 위해서는 200µm 이상의 입자 크기가 요구된다. 
섬유(Fiber)의 검출확률(PoD)은 단일 구형 입자에서 적용한 것보다 더 낮으며 500 µm 이상의 입자에서 신뢰할 수 있는 검출확률값(≥70% PoD)을 나타내는 경우가 많았다. 따라서, 대부분의 200 µm미만 비섬유(Non-fiber) 입자는 검증된 이물검사 시스템에서도 검출되지 않고, 시중에 유통될 수 있는 가능성이 있다. 또한, 바이알 용기의 특성(크기,색상, 투명도 등)과 제제의 특성(동결건조, 현탁액, 유제 등)으로 인해 이물검사가 더 어려운 점이 있다. 또한 입자의 크기뿐만 아니라 입자의 특성(색상, 모양, 밀도 등)도 검출확률(PoD)에 영향을 미칠 수 있다.

이물 혼합 방지 전략

이물의 검출 및 제거 능력도 중요하지만 이물 유입을 원천적으로 차단할 수 있도록 제조 환경의 오염 방지 방안을 마련하는 것이 보다 중요하다. 왜냐하면 수동 및 자동이물검사 공정만으로는 이물이 포함된 제품을 완전하게 검출할 수 없기 때문이다. 따라서 이러한 이물 결함을 방지하기 위해서는 적절한 환경 관리와 함께 폐쇄식 기계 설비 등의 제조기구 도입을 고려할 필요가 있다.

포장자재(Packaging materials)

제품과 직접 접촉하는 포장자재의 조성에 따라 자재에서 유래한 이물이 발생할 수 있으므로 직접자재 선정 시 이물발생에 대한 사항을 고려하여야 한다.

​제조기구 준비(Equipment preparation)

세척·멸균된 제조 기구를 충전라인으로 이송하여 설치할 때까지 이물이 혼입되지 않도록 관리하여야 한다.
세척된 기기를 멸균하기 위해 백(Bag)으로 포장하는 경우에는 비 셀룰로오스 재질의 백(Bag)을 사용해야 한다. 
셀룰로오스섬유(Cellulose fibers)는 주사제에서 흔하게 발생하는 가장 일반적인 이물이므로 발생원을 미리 제거해야 한다.
또한, 제조기구의 세척·멸균(CIP·SIP) 검증 및 모니터링 과정에서 세척 후 이물의 정도를 적절히히 평가해야 한다.

예를 들어 바이오의약품 제조 시 사용하는 Vessel, Filter, Tubing 및 기타 제품과 접촉하는 장비의 세척·멸균 밸리데이션을 통해 제조기구로 인해 발생할 수 있는 이물이 유입되는 정도를 평가해야 한다. 

​작업원 위생(Operator hygiene)

제품 제조 시 작업자에 의해 발생하는 오염을 제거해야 한다. 
작업원에 의해 발생할 수 있는 머리카락, 피부각질(skin cell) 등과 같은 제조환경에서 유래한 이물이 혼입되는 것을 주의해야 한다. 작업원은 헤어커버, 고글, 작업복 등을 적절하게 착용해야 하고 적절한 교육을 받아야 한다.
또한 작업복의 도입을 검토 시, 이물발생 가능성을 최소화할 수 있는 재질의 작업복을 선정하여 섬유로 인한 이물혼입을 방지해야 한다.

제품 충전 라인(Filling line)

제품 충전 라인에서 개봉된 용기(바이알, 프리필드시린지 등)의 이송 시 이물의 혼입을 최소화하기 위한 검증과 모니터링을 실시해야 한다. 예를 들어 무균 충전 제품의 경우 이물 혼입을 방지하기 위해 청정도 A 등급(ISO 5, class 100)의 단방향 기류(Laminar flow air)에서 용기 이송을 수행하여야 한다. 
충전용 펌프(Filling pump)의 설계와 재질도 중요한 고려사항이다. 금속으로 제작된 실린더와 피스톤으로 구성된 펌프는 금속입자를 발생시킬 가능성이 크다. 펌프의 적절한 유지관리는 필수적이며, 주기적으로 실린더와 피스톤의 표면을 재처리해야 한다. 
제품 충전 시 사용하는 고무전의 취급 방법도 고려해야 한다. 고무전 주입용기(Stopper bowl) 표면의 유지관리 절차를 마련하여야 하며, 고무전 투입구는 작업자에 의한 고무전 오염 가능성이 최소화되도록 설계되어야 한다.

​전수검사

제조업체는 최종 제품에서 불용성 이물의 검출확률(PoD)이 가장 높은 단계에서 전수검사를 실시해야 한다. 
예를 들어 용기의 선명도를 최대화하기 위하여 표시기재 라벨링 공정을 수행하기 전 또는 펜 조립 공정 전에 이물검사를 실시한다. 또한, 이물검사를 위한 사용 장비를 확인하고, 이물 검사를 수행할 물리적 환경이 이물 검사 수행 과정에서 변동성을 최소화하고 검출 가능성이 최대화되도록 설계되어야 한다.

각 제조단위별로 수동(Manual) 이물검사, 반자동(Semi-automation) 이물검사 또는 자동(Automation) 이물검사 방법을 통해 이물검사를 실시한다. 수동 및 반자동 이물검사는 교육을 받아 자격을 갖춘 이물검사 작업자만이 수행할 수 있다. 다만, 이물 검사자 적합성 평가 시에도 해당 작업에 대한 검증을 실시하여야 한다.

이물검사는 충전 공정 중 연속(In-line)해서 수행하거나, 별도의 이물검사실에서 실시할 수 있다. 
이물검사의 목적은 확인된 모든 결함을 검출하고 제거하는 데 있다. 
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이물검사 방법

​수동 이물검사

수동 이물검사(MVI, Manual visual inspection)는 제조업체에서 일반적으로 선택하여 사용하는 대표적인 검사방법이다. 이 방법은 충전된 용기를 사람의 육안으로 확인하여 이물을 검출하는 방법이다. .
제품의 적부판정에 대한 결정은 교육받고 검증된 작업원에 의하여 수행된다. 이물검사는 확률적인 과정이며, 작거나 낮은 결함이 있는 용기는 100% 미만의 검출률을 기대할 수 있다.

​수동 이물검사의 중요공정변수(Critical process parameters in MVI)

조도(Light intensity) : 수동 이물검사는 조도에 영향을 크게 받는다. 

이물검사를 위해 일반적으로 권장하는 조도는 2,000~3,750 lux 이상이다. 
갈색 용기 및 반투명 플라스틱 용기의 경우 보다 높은 조도(8,000~10,000 lux)를 권장한다.
빛은 이물검사 구역(Inspection zone) 전체에 확산되어야 하며 제품을 명확하게 식별할 수 있어야 한다. 

각 이물검사 구역에서의 조도는 규정된 범위 내로 설정하고 연속적이고 규칙적인 조도가 유지되는지를 확인하기 위해서 정기적으로 측정해야 한다. 이물 검사자가 규정된 조도보다 낮은 범위에서 이물검사를 수행하지 않도록 경고 수준과 조치 수준을 설정하여 관리하여야 한다.

배경 및 대비(Background and contrast) : 검출 대상이 되는 이물과 이물검사 구역의 배경과의 대비는 검출을 위해 필요하다. 배경과 이물과의 대비가 클수록 검출률이 개선될 수 있다. 일반적으로 흑백의 배경을 사용하며, 반사 간섭을 피하기 위하여 무광의 배경을 사용하도록 한다.
두 배경을 모두 사용하면 외관상 밝거나 어두울 수 있는 광범위한 이물 입자 및 용기 결함의 대비가 향상될 수 있다.

검사율(Inspection rate) : 이물검사의 완전성을 높이기 위해서는 충분한 시간이 필요하다. 1개 의 용기 당 10초 이상의 시간을 유지하는 것을 권장하고, 흑백 배경에서 각각 5초 간의 유지 시간이 필요하다. 
대용량 용기 등의 이물 검출이 어려운 용기의 경우 유지 시간(Holding time)의 연장이 필요하다.
1개의 용기 당 소요되는 유지 시간은 이물 검사자 교육에 반영하여 수행되어야 하며, 표시등 또는 신호음 등을 활용하여 이물 검사자가 유지 시간을 인지할 수 있도록 관리할 수 있다. 
제조단위별로 이물검사 시간을 기록해야하며  미리 설정한 작업자 검사 유지 시간 등의 준수 여부를 확인할 수 있다.

용기 취급 및 이동(Container handling and movement) : 수동 이물검사는 용기 내의 액체를 회전(Swirl) 또는 반전(inversion) 하는 행위의 적절성도 포함해서 관리하여야 한다. 이러한 행위는 용기 내부 표면과 마개에 있는 모든 입자를 움직이게 할 수 있다. 기포 발생을 최소화하기 위한 절차의 마련도 중요하다. 한 번에 여러 개의 용기를 검사하는 것은 허용되나, 많은 용기를 한 번에 손으로 잡는 것은 모든 용기 표면과 내용물을 완전하게 확인하기 어렵기 때문에 적절하지 않은 방법이다. 용기의 균열(Crack)과 조각(Chips)을 식별하기 위해 용기를 완전히 움직이거나 회전(motion or rotation)시키는 것도 필요하다.

​확대(Magnification) : 일부 이물검사 공정에서 이물의 이미지(Image)를 확대하기 위해 대형 확대경을 사용하기도 한다. 이를 통해 검출확률(PoD) 임계값과 가까운 결함을 보이는 용기를 검출할 수 있는 확률이 증가한다.
 확대는 용기의 일부분을 보다 신중하게 검사하기 위한 방법이므로 전체 검출률을 증가시키지는 못한다. 
이에 따라 일반적인 이물검사 방법으로 권장하지는 않지만, 이물로 의심되는 사안이 발생했을 때 해당 용기에 대해 조사(Investigation)하는 방법의 하나로 활용할 수 있다.

​이물 검사자 피로도(Inspector fatigue)
장시간의 이물검사는 이물 검사자의 피로의 원인이 되며, 이물 검출확률을 낮출 수 있다. 일반적으로 이물 검사자는 1시간마다 적절한 휴식을 취하도록 관리하는 것이 적절하다. 휴식 시간에는 눈과 마음에 휴식을 취할 수 있도록 하여야 한다.

​검사구역의 인체공학적 고려사항(Ergonomic Considerations)
검사 구역은 검사자의 반복동작에 의한 부상의 위험을 최소화할 수 있도록 설계하고 운영해야 한다.
높낮이 등의 조정이 가능한 의자를 적용하고, 광원의 위치를 신중하게 선정하여야 한다.
이러한 조치는 검사자의 피로 및 불편함을 경감시켜 검사자의 검사 성능을 높일 수 있다.

​반자동 이물검사

반자동 이물검사는 자동화된 기기를 사용하여 용기를 움직이게 하고, 최종적으로 사람의 육안 에 의하여 이물을 검출하는 방법이다. 이러한 반자동 이물검사 시스템은 컨베이어 기기를 사용하여 검사 구역(Booth 또는 Station) 내의 검사자 앞으로 용기를 수송하는 방식으로 운영된다.

액상 제제의 경우 검사 구역에는 입자를 움직이게 하는 고속 회전 스테이션(High-speed spin station)을 설치하는 경우도 있다. 이러한 반자동 이물검사 시스템은 바이알 외관의 균열(Crack) 또는 작은 이물(Small particles)과 같은 결함을 검출하기 쉽도록 틴달(Tyndall) 조명과 같은 추가적인 조명을 부가적으로 제공할 수 있다. 또한, 거울을 사용하여 각 용기의 상단과 하단을 명확하게 관찰할 수 있다. 승인이 거부된 단위(Rejected units)는 손을 사용하여 롤러에서 제거할 수 있지만, 일부 시스템에서는 이물 검사자의 지시에 따라 원격으로 승인을 거부할 수 있는 

장치가 장착되어 있다. 이러한 바이알을 완전히 회전시켜 모든 표면 검사를 보장할 수 있는 시스템에 대해서 적격성평가를 실시하여야 한다. 추가적으로, 용기의 바닥에서 떨어지지 않는 이물의 경우에도 적절하게 검출될 수 있도록 이물검사 방법에 대한 방안을 마련해야 한다.

반자동 이물검사의 성능은 수동 이물검사와 동등하다. 처리할 수 있는 검사 수량은 수동 이물검사보다 약간 높을 수 있다. 이는 이물 검사자가 이물 검사 공정에 모든 시간을 사용할 수 있기 때문이다

​반자동 검사의 중요 공정변수(Critical process parameters from semi-automated inspection)

조도(Light intensity)는 수동 이물검사(MVI)와 마찬가지로 관리되어야 한다. 
검사 속도는 롤러와 컨베이어 벨트의 속도 또는 이물 작업자가 요구한 장비의 속도에 따라 조절된다. 

액상 제품의 회전속도(Spin speed) 등은 반자동 이물검사기의 적격성평가를 통해 검증 및 설정하여야 하고, 검증된 범위 내에서 이물 검사공정이 수행되어야 한다. 배경(Background)의 색상은 선정한 롤러의 색상과 롤러 사이의 공간에서 보이는 배경의 색상으로 조절된다. 이물 검사자의 적합성 평가와 반자동 이물검사기의 밸리데이션은 동등 이상 수준의 검출 능력을 나타낼 것이라 기대되는 수동 이물검사(MVI) 방법과의 비교를 기반으로 실시하여야 한다.

​자동 이물검사

자동 이물검사(AVI)는 수동 이물검사의 대체 방법 또는 추가적으로 품질을 보증할 수 있는 절차의 하나로 사용할 수 있다. 자동 이물검사는 다양한 파장과 센서를 사용하여 수동 또는 반자동 이물검사로는 완전하지 못한 분말, 현탁제, 갈색 용기 등의 주사제에서 확인하기 어려운 이물을 검출할 수 있다. 미리 입력된 허용 기준을 만족하지 않는 용기는 이물검사기에 의해 자동으로 부적합 처리된다.
수동 이물검사(MVI)는 이물검사 작업원의 반복적인 작업으로 인해 검출 감도의 변동성이 발생할 수 있는 반면에 자동 이물검사는 보다 일관성 있는 검출 감도를 제공할 수 있어 이물 검출 확률을 높일 수 있다. 또한 자동 이물검사는 더 높은 수준으로 특정한 이물을 검출할 수 있다.
즉, 수동 및 반자동 이물검사와 비교할 때 통계적 신뢰성이 높으며 육안으로 확인할 수 없는 이물을 검출할 수 있다.

 

자동 이물검사(AVI)는 수동 이물검사(MVI)와 비교해서 더 높은 수준의 감도를 제공할 수 있지만 제품과 용기에 대한 정상범주의 변동성에 대한 오차를 허용(Tolerance)할 수 없기 때문에 잘못된 부적합률(False rejection rate)이 높게 나타날 수 있다. 특히 성형한 유리(Molded glass)용기와 플렉서블 백(Flexible bag)에서 자주 발생한다.
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수동 이물검사에서 자동 이물검사로 변경하는 경우에는 경고 수준과 조치 수준을 재조정할 필요가 있다. 자동 이물검사기의 적격성평가 과정에서 얻은 결과값을 바탕으로 허용기준을 조정해야 한다. 현재 사용 중인 자동 이물검사 기술(초고속 카메라, X선, 근거리 레이더, 자외선 분광기 등)에는 각각 장단점이 존재하지만, 적절하게 활용한다면 수동 이물검사를 대체할 수 있다.

자동 이물검사기의 밸리데이션은 수동 이물검사 방법을 통해 실시한 결과와 동등하거나 그 이상의 수준을 기대할 수 있도록 실시하여야 한다. 밸리데이션을 통해 허용 가능한 용기(Containers)와 결함(Defects)을 검증하기 위해서는 상당한 노력이 필요하다. 이를 위해 인공지능(AI, Artificial Intelligence) 또는 딥러닝(DL, Deep Learning) 기법을 사용하여 자동 이물검사기의 성능을 향상시킬 수 있다.

​요약

​이물검사 공정은 바이오의약품 제조공정의 중요한 부분이다. 이물검사를 적절하게 수행하기 위해서는 이물검사 공정에 대한 충분한 이해와 검사 조건에 대한 관리가 필요하다.

이물검사 공정의 절차에 대해 적절하게 문서화하여야 하고, 이물 검사자의 일관성 있는 검출 역량을 유지하기 위해 정기적인 적합성평가를 실시하여야 한다. 반자동 및 자동 이물검사 방법을 수동 이물검사 방법의 대안으로 적용해도 된다. 다만, 기기를 사용하여 이물검사를 수행하는 경우에는 기기에 대한 적격성평가를 실시하여야 하며, 수동 이물검사와 비교하여 동등한 수준으로 이물을 검출할 수 있다는 것을 검증하여야 한다. 결함 표준규격을 포함하는 시험검사 세트는 반자동 및 자동 이물검사기의 성능평가와 이물 검사자의 교육 및 적합성평가에도 적용할 수 있다. 또한, 이물검사 수행 결과에 대한 입증 또는 재구성할 수 있도록 제조소 자체적으로 타당한 절차를 마련하여 근거자료를 보관하여야 한다. 

아울러, 이물의 검출 능력 향상 및 공정 기록의 완전성과 더불어 최종적으로는 바이오의약품 제조 환경의 오염방지 및 지속적인 공정 개선을 통해 이물 발생의 근본적인 원인을 제거하여 제품의 품질을 향상시켜야 한다

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참고 : 바이오 의약품 이물검사관리 가이드<식약처>