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Corning velocizza la consegna dei vaccini contro il COVID-19 grazie a un'innovazione nel packaging farmaceutico

La rivoluzionaria formulazione del vetro si appresta a dimezzare i tempi di produzione. Scoperta grazie al disegno di esperimenti di JMP®.

Foto di Christopher Payne

Foto di Christopher Payne

Corning

La sfidaLa distribuzione dei vaccini contro il COVID-19 è ormai iniziata, ma potrebbero volerci mesi, se non anni, prima che le aziende farmaceutiche riescano a produrre le quantità necessarie a soddisfare la domanda mondiale. Fino a oggi, la velocità delle linee di produzione era stata limitata da un fattore fondamentale: se i macchinari di un impianto vanno troppo velocemente, anche le migliori fiale in vetro per uso medico rischiano di rompersi o di essere soggette a degradazione chimica. 
SoluzioneGli scienziati e gli ingegneri di Corning hanno sfruttato il disegno di esperimenti per sviluppare un vetro di nuova formulazione, il Valor® Glass, pensato proprio per velocizzare le produzione farmaceutica. Grazie a JMP e JMP Pro, gli scienziati coinvolti in questa iniziativa hanno avuto a disposizione i migliori strumenti di DOE esistenti.
I risultatiL'innovazione introdotta da Corning dovrebbe aumentare la produzione anche del 50 %, stabilendo quello che il vicepresidente Brendan Mosher ha definito “un nuovo standard di qualità e prestazioni nel packaging farmaceutico”. Riuscendo ad aumentare la capacità di una linea di produzione standard da 300 a 750 fiale al minuto, Valor Glass, una volta ottenuta l'approvazione normativa, si propone di accelerare la consegna dei vaccini contro il COVID-19. 

In un momento in cui il mondo si trova ad affrontare la pandemia più letale dell'ultimo secolo, gli scienziati hanno fatto di tutto per sviluppare vaccini sicuri ed efficaci. A settembre 2020, ben 40 potenziali vaccini erano in fase di test clinico, mentre più di 90 si trovavano nella fase preclinica di ricerca attiva sugli animali. La scoperta di un vaccino funzionante, tuttavia, non è che il primo passo nel tentativo di ottenere l'immunità di gregge mondiale tramite vaccinazione e una produzione su scala troppo ampia causerebbe certamente enormi problemi di distribuzione. 

Considerato che molti dei vaccini richiedono l'inoculazione di più dosi a persona, gli esperti stimano che nel solo 2021 saranno necessarie tra 7 e 15 miliardi di dosi in tutto il mondo. Le aziende farmaceutiche, quindi, si trovano a dover accelerare la produzione, riducendo le tempistiche assai più che con i prodotti standard. A metà del 2020, Pascal Soriot, Direttore esecutivo e CEO di AstraZeneca, ha dichiarato ai giornalisti: “La vera sfida non è produrre il vaccino, è riempire le fiale”.

Molti dei nuovi potenziali vaccini contro il COVID-19 emersi nel 2020, infatti, vengono prodotti in grossi lotti e poi confezionati in fialette di vetro che contengono da una a dieci dosi pronte per la distribuzione. Il riempimento delle fiale, tuttavia, è da sempre uno dei passaggi che rallentano o addirittura bloccano la procedura con cui un farmaco o vaccino può arrivare ai pazienti.

Le moderne linee di produzione farmaceutiche sono altamente automatizzate ma, se è vero che i macchinari più all'avanguardia possono funzionare a velocità elevatissime, a una velocità eccessiva persino le fiale in vetro borosilicato (le migliori del settore) rischiano di rompersi o di delaminare particelle nel contenuto al loro interno. Inoltre, la stabilità chimica del borosilicato a temperature estreme costituisce un'ulteriore preoccupazione, considerato che alcuni vaccini contro il COVID-19, come quelli sviluppati da Pfizer e BioNtech nel 2020, richiedono di essere conservati a temperature molto basse.

Per risolvere questi e altri problemi di produzione legati al vetro, Corning Incorporated ha istituito una partnership per lo sviluppo con varie aziende leader nel settore farmaceutico. Già nel 2012, gli scienziati avevano iniziato a esplorare la formulazione del vetro per sviluppare un nuovo prodotto all'avanguardia da applicare alle scienze biologiche. Corning e i suoi partner hanno testato oltre 200 composizioni diverse prima di arrivare a creare un nuovo vetro alluminiosilicato che è 10 volte più forte e chimicamente resistente rispetto ai prodotti migliori del settore disponibili fino a quel momento.

Era nato Valor® Glass, un'importantissima innovazione uscita sul mercato solo pochi mesi prima della scoperta del COVID-19 a Wuhan, in Cina.

“Valor Glass ha stabilito un nuovo standard di qualità e prestazioni nel packaging farmaceutico”, ha dichiarato Brendan Mosher, vicepresidente e direttore generale di Corning Pharmaceutical Technologies. “Pensato appositamente per il settore farmaceutico, ha tutto quel che serve per consentire una produzione e una consegna dei farmaci più veloci e affidabili, due caratteristiche fondamentali nella risposta alla pandemia da SARS-CoV-2”.

Ecco come Corning è riuscita a mettere in piedi un'organizzazione R&S dall'ampio know-how e a creare un vetro di nuova categoria in grado di raddoppiare la capacità di produzione farmaceutica da un giorno all'altro.

Foto di Christopher Payne

I tre aspetti da tenere presente: stabilità chimica, forza e lavorabilità

Quello che nel 2011 era solo un progetto di scarsa importanza, nel tempo si è evoluto fino a occupare un'intera divisione dell'organizzazione per le scienze biologiche di Corning. Inizialmente, spiega Michael Anderson, oggi ingegnere senior di Sviluppo statistico e delle misurazioni, l'obiettivo era migliorare la resistenza e la stabilità chimica del packaging farmaceutico in collaborazione con il partner di progetto originale, Merck. Anderson è entrato a far parte del team nel 2013, prima come statistico a supporto del gruppo di engineering del progetto e poi come esperto di metrologia in R&S.

Corning era consapevole che uno dei maggiori problemi produttivi dell'industria farmaceutica era la contaminazione da boro: i farmaci caustici, in particolare, causavano la progressiva delaminazione del rivestimento interno delle tradizionali fiale in vetro borosilicato, rendendo inservibili interi lotti di medicinali e vaccini. “Le sfide che la produzione farmaceutica si trova ad affrontare, tuttavia, variano nel tempo”, dice Anderson: una volta individuata una soluzione per la stabilità chimica, Corning ha dovuto affrontare il problema della fragilità. Alla fine, con l'arrivo di Pfizer, l'ottimizzazione industriale è diventata la nuova priorità e gli scienziati hanno iniziato a concentrarsi sul ridurre la frizione provocata dai tradizionali rivestimenti delle fiale.

“Se devi produrre 500 milioni di fiale in sei mesi con l'attrezzatura già in dotazione, il tuo primo obiettivo diventa aumentare la velocità di movimento dei singoli componenti”, ha spiegato Anderson. “Questa caratteristica è chiamata lavorabilità” e indica la velocità di funzionamento di un impianto.

Risolvere tutti e tre i problemi con un singolo prodotto ha richiesto anni di sperimentazioni, la creazione di un vasto know-how sul prodotto, oltre all'occasionale necessità di ricominciare da capo e procedere per ottimizzazioni incrementali. Si è trattato di un processo lungo, che deve la sua riuscita alla profonda esperienza di Corning nella scienza del vetro e alla sua aderenza ai processi statistici.

Tutti, in Corning, sono ingegneri di processo 

Corning è un'organizzazione caratterizzata da un forte spirito scientifico a tutti i livelli, i cui dirigenti (spesso ex statistici o scienziati della R&S) sono stati paladini dell'adozione su larga scala di approcci statistici. La statistica, spiega Anderson, è parte di qualunque posizione a Corning, dai materiali alla produzione alla logistica della filiera produttiva. Il loro mantra? Tutti sono ingegneri di processo e ogni ingegnere di processo deve avere delle competenze nell'analisi dei dati.

Pur avendo aspettative piuttosto elevate per quanto riguarda le conoscenze statistiche dei dipendenti, Corning fornisce loro le attrezzature e gli strumenti più avanzati per implementare metodi statistici e di disegno di esperimenti efficienti ed efficaci. A differenza di altre aziende, “Corning ha fatto del fornire gli strumenti giusti ai propri dipendenti una priorità”, afferma Anderson. Per anni, questo impegno si è tradotto nell'uso di Minitab, un pacchetto statistico con una lunga storia nel settore.

Tuttavia, continua Anderson, si è arrivati a una fase di transizione in cui le limitazioni del software erano superiori ai vantaggi offerti. “Come chiunque abbia usato Minitab ben sa, differenze anche minime nelle dimensioni delle colonne di un file possono dare origine a una miriade di problemi”, aggiunge. “E all'ennesima rimostranza del tipo 'Avevo preparato questa presentazione ma non so come estrarla da Minitab', i responsabili della progettazione hanno deciso di rivolgersi altrove”.

Nel caso di Corning, la transizione ha portato al software JMP e JMP Pro, un favorito del settore che abbina statistiche affidabili a una visualizzazione intuitiva. “JMP è in grado di operare anche con set di dati non bilanciati. Ti spiega quali sono i rischi, come affrontarli e ti consente di fare una scelta intelligente invece di rinunciare”. Secondo Anderson, quello offerto da JMP è “un prodotto dal prezzo competitivo che combina usi standard adatti a qualunque ingegnere con strumenti statistici avanzati, che consentono di risolvere qualunque problema ci si possa trovare di fronte ogni giorno nel campo della progettazione e della ricerca”.

Nello sviluppo di quello che poi è diventato Valor Glass, “è davvero difficile dire quando JMP non è stato usato”, scherza Anderson. Una delle aree chiave che hanno costituito la prova di fattibilità del software è stato il disegno di esperimenti (DOE). 


“Vogliamo imparare quanto più possibile a fronte del denaro speso. Quando dico che voglio portare avanti un progetto servendomi del disegno di esperimenti, non incontro mai obiezioni. Ormai [il DOE] è parte integrante di Corning”.

– Michael Anderson, ingegnere senior di Sviluppo statistico e delle misurazioni

Il DOE: un approccio strategico alla sperimentazione in cui anche i fallimenti hanno una loro utilità

Il disegno di esperimenti è una branca della statistica applicata che sfrutta i test controllati per identificare e analizzare i fattori che influiscono su un dato parametro o gruppo di parametri. Nel DOE, gli scienziati seguono un approccio comprovato di raccolta e analisi dei dati in grado di fornire un quadro migliore delle interazioni tra fattori, consentendo di gestire più fattori di input in una volta.

Anderson spiega che il DOE di JMP è stato fondamentale, tra le altre cose, anche per ottimizzare le proporzioni dei componenti e le varianti di configurazione dei processi nelle varie formulazioni di Valor Glass. “C'è la tempra chimica, usata per rendere il vetro più forte, e poi il rivestimento esterno, che consente di movimentare le fiale al doppio della velocità lungo le linee di riempimento degli stabilimenti” spiega, aggiungendo che, per ognuna di queste caratteristiche, ce ne sono di secondarie che vanno ottimizzate.

“Può sembrare banale, ma nei materiali non ce n'è una soluzione che vada bene per tutto: all'aumentare di un fattore, in genere si finisce per comprometterne un altro. Volevamo che il nostro rivestimento fosse quanto più trasparente possibile, ma anche capace di resistere a tutti i processi a cui è sottoposto [quando viene riempito], per esempio. La quantità di DOE su miscele, superfici di risposta e formulazioni che abbiamo effettuato per raggiungere le proporzioni ottimali tra i componenti e individuare i composti secondari al loro interno è veramente incredibile”.

Per fortuna, Corning, diversamente da molte aziende concorrenti, ha dato la priorità a ricerca e sviluppo di livello aziendale, assegnando ai team di sviluppo fondi sufficienti per affrontare fallimenti nelle proprie sperimentazioni. “Fallire è molto costoso, ma è un aspetto fondamentale della sperimentazione”, continua Anderson. “In Corning, non ho mai trovato grande resistenza ai miei esperimenti. Vogliamo imparare quanto più possibile a fronte del denaro speso. Quando dico che voglio portare avanti un progetto servendomi del disegno di esperimenti, non incontro mai obiezioni. Ormai [il DOE] è parte integrante di Corning”.

Foto di Christopher Payne

JMP®: la soluzione ideale per DOE e insegnamenti statistici vari 

Tuttavia, il design è solo la prima parte del DOE. La seconda è costituita dall'analisi, a prescindere dal tipo di disegno implementato dai singoli team. Nello sviluppo di Valor Glass è stato fondamentale identificare i fattori chiave, i loro punti di forza e le loro interazioni, ma anche capire come questi effetti venivano rappresentati in un grafico. In alcuni casi, spiega Anderson, si trattava di cose facili come verificare l'uniformità del lato di una fiala: basta visualizzarla per sapere se c'è qualcosa che non va”.

La visualizzazione dei dati accelera il processo analitico, consentendo di effettuare verifiche qualitative a colpo d'occhio, area in cui JMP è un'eccellenza. L'ampia gamma di Profiler del software consente di esplorare in maniera interattiva gli ambienti di design e di identificare visivamente i punti dei regimi operativi attuabili e dei fattori impostati. “La capacità di trasformare immediatamente i dati in grafici è ciò che mi ha convinto a provare JMP 29 anni fa e che continua a distinguerlo dagli altri ancora oggi. Penso che tutti considerino il Costruttore di grafici il centro del loro mondo JMP”, dice Anderson.

“La piattaforma del Costruttore di grafici di JMP è spesso considerata un buon punto d'inizio per chi si avvicina alla statistica industriale applicata e l'ampio catalogo di corsi di formazione interni e di risorse formative continue di Corning aiuta gli utenti a costruirsi delle competenze su queste basi. I corsi di statistica interni all'azienda si sono evoluti per tenere il passo con gli strumenti disponibili, incluso il corso base di Corning sull'interpretazione dei dati”, afferma Anderson. “Nei 12 anni in cui ho lavorato per Corning, siamo passati da lezioni senza computer a Minitab e poi a JMP, quattro o cinque anni fa”. I corsi più avanzati includono il DOE, i sistemi qualitativi e l'analisi dei sistemi di misurazione.

Tra tutte queste opportunità di sviluppo, Corning fornisce formazione specializzata su JMP tramite una collaborazione con SAS Education e delle giornate annuali su JMP di livello base, intermedio e avanzato. Il nostro forum interno, poi, ospita gruppi di utenti che discutono di un'ampia gamma di applicazioni.

Da 30 minuti a pochi secondi, gli script personalizzati semplificano la ripetizione di analisi 

Man mano che il volume totale dei dati in entrata cresce grazie all'iniziativa di trasformazione digitale di Corning e le tecnologie industriali sono sempre più integrate (non solo in Corning ma in tutto il settore), i team di R&S vanno alla ricerca di strumenti personalizzati per interrogare e analizzare i dati, evitando i potenziali rischi della compartimentazione. Gli script, spiega Anderson, aiutano gli ingegneri a personalizzare i componenti aggiuntivi che possono estrarre dati da più database in una sola volta, ottimizzando i vantaggi per l'azienda a livello sia di produzione sia di sviluppo.

Gli script personalizzati scritti nel linguaggio di scripting di JMP consentono anche di evitare le lunghe e complesse attività di pulizia e analisi ripetuta dei dati. Eppure, sono semplici quanto impostare le condizioni di raccolta e organizzazione dei dati. “A fine giornata, quando [gli ingegneri] hanno finito di fare le loro misurazioni, io entro ed eseguo uno script, mettendoci 15 secondi”, spiega Anderson. “Eseguire la stessa procedura a mano [come facevamo una volta] richiede almeno 30 minuti”.

Da 300 a 750 fiale al minuto, Valor Glass raddoppia la velocità delle linee di produzione, per i vaccini contro il COVID-19 e non solo

Con la sua formula ottimizzata in maniera meticolosa per tutti i parametri, Valor Glass, lanciato e approvato dalla FDA alla fine del 2019, imposta un nuovo standard per il packaging farmaceutico. I vantaggi sono stati chiari fin da subito: se le linee di produzione tradizionali riescono a produrre solo tra 300 e 400 fiale al minuto, le fiale Valor Glass consentono di arrivare fino a 750 fiale al minuto, raddoppiando la capacità complessiva di un impianto praticamente da un giorno all'altro.

Nei primi mesi del 2020, con la rapida diffusione del coronavirus SARS-CoV-2 in tutto il mondo, la tempestività del nuovo prodotto Corning è divenuta subito evidente. L'importanza di questa innovazione è stata riconosciuta dal dipartimento della difesa statunitense nel giugno 2020, quando la Biomedical Advanced Research and Development Authority ha concesso a Corning un finanziamento di 204 milioni di dollari per incrementare rapidamente la produzione di Valor Glass.

Grazie a Valor Glass e alla sua capacità di accelerare le tempistiche di consegna dei vaccini contro il COVID-19, i 10 anni di investimento in una R&S meticolosa e guidata dai dati ha pagato non soltanto in primati di design, ma con un impatto reale sulla società. Velocizzare la distribuzione dei vaccini può davvero salvare delle vite. 

I risultati illustrati in questo articolo si riferiscono specificatamente a situazioni, modelli di business, input di dati e ambienti di elaborazione particolari descritti nel presente documento. L’esperienza di ogni cliente SAS è unica, basata su variabili tecniche e aziendali e, pertanto, tutte le affermazioni devono essere considerate non tipiche. I livelli di risparmio, i risultati e le caratteristiche prestazionali varieranno in base alle configurazioni e alle condizioni specifiche del cliente. SAS non garantisce il raggiungimento di simili risultati da parte di tutti i clienti. Le sole garanzie per i prodotti e servizi SAS sono quelle esposte nelle dichiarazioni di garanzia espresse presenti nel contratto scritto per tali prodotti e servizi. Niente di quanto qui affermato può costituire garanzia aggiuntiva. I clienti hanno condiviso le loro storie di successo con SAS come parte di uno scambio contrattuale convenuto o in qualità di riepilogo del successo del progetto in seguito a una positiva implementazione del software SAS.

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