超滤技术优化纳米微粒制备流程

赛多利斯实验室

2022.4.06

作者赛多利斯

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Overview

了解纳米微粒如何改善医疗领域的药物递送，以及如何使用超滤技术来对纳米微粒制备流程进行分析和优化。

在过去的一个世纪里，新的研究方法通过不断加快发现甚至是设计新的靶点来改变着药物领域。与此同时，科学家们也在研究将药物运送并有效递送至体内靶点部位的新方法。纳米技术，尤其是纳米微粒的生产，作为一种改进传统药物递送方法的手段，受到了广泛关注。

John Cashman，赛多利斯

赛多利斯实验室超滤解决方案全球产品经理

John Cashman解释说：“纳米微粒包含各种各样的有机和无机分子，它们可以通过其材质（如脂质、金属或聚合物）及最终使用形式（如膜泡或颗粒）来进行特性表征。这些微粒在诊断、疗法及疾病治疗领域具有巨大的应用潜力，包括成像及靶向给药”。在谈及目前用于应对SARS-CoV-2疫情的一些疫苗时，他解释说：“事实上，在第一批要获得监管批准的mRNA疫苗中，纳米微粒是其关键药物递送组分。这些疫苗利用脂质纳米微粒将mRNA转染到受体的免疫细胞中，从而帮助形成对COVID-19的免疫。”

药物递送中的
纳米微粒制备流程与分析

纳米微粒的生产通常分为三个步骤：组装、纯化及浓缩。根据所涉及应用的不同，这些步骤的严格程度也可能会有所变化。例如，药物递送应用需要高纯度和高效率的纳米微粒，以确保治疗有效且不会产生不良的副作用。药物既可以与纳米粒表面偶联，也可以封装在由脂质组装的膜泡中，这个工艺也被称为纳米微粒的“功能化”。功能化很难达到100%有效性，为了确保其能成功实现，就需要进行各种分析性及验证性分析。

为了确定给患者服用的药物数量并确保剂量正确，其中重要的一项常规分析就是测量纳米粒的偶联或包封效率。这样，就需要一种分离工艺（比如超滤），以从纳米粒结合药物中分离出游离药物，从而确定与纳米微粒偶联药物的含量。超滤主要根据分子的大小，使用具有超细孔径的膜来分离分子。Cashman解释道：“游离药物和纳米微粒结合药物的大小通常存在显著的差异，超滤就成为了分离这些药物的有效技术。只要使用功能化纳米微粒的尺寸比其标称膜孔径大很多的设备，即可截留纳米微粒结合的药物，而尺寸较小的游离药物分子则会通过膜。”这样，通过超滤就可将游离药物（在渗透液样品中）从功能化纳米微粒（在滞留物样品中）中分离出来。对透过液中的药物浓度与样品制备开始时添加的药物浓度进行比较，即可获得结合或包封效率测量值，以百分比表示。

纳米微粒的可持续生产：
石墨烯案例研究

在纳米微粒的整个生产过程中，超滤是一种不可或缺的方法。这对于难以制备的纳米微粒来说尤其如此，例如石墨烯，这是医学中常用的一种物质。虽然最初的合成很简单，但所得到的石墨烯具有很强的酸性，并含有多种杂质。Cashman分享道：“正是身体内靶点部位的酸性环境（比如肿瘤微环境）会触发药物从石墨烯表面释放出来。这意味着石墨烯的pH值对靶向治疗的实现至关重要，因此，必须在生产后对石墨烯进行彻底洗涤及中和。”

这种洗涤过程通常要完成多个离心步骤，一周时间制备出的量也相对较少，而且需要人工完成相当多的工作。除了在样品容量和可放大性方面受到限制外，离心处理后也会产生大量含有石墨烯的废物，这些废物如未进行适当的处理，可能会对环境产生危害。此外，离心也可能导致上清液部分的收率明显降低，上清液中通常含有较小的石墨烯片，因为相对于样品中较大的石墨烯片，它们的沉降速度较慢。这是离心处理的一个显著缺点，因为这些小尺寸的石墨烯片比大石墨烯片更具生物医学相关性。

Vivaflow® TFF膜包

在寻求经过改进且可持续的离心替代方案的过程中，赛多利斯与挪威斯塔万格大学生物工程团队的Abdelnour Alhourani合作开发出了一种用于石墨烯洗涤及pH中和的切向流过滤（TFF）方法。进行切向流过滤时，即可通过渗滤连续洗涤纳米微粒。Cashman说道：“与离心法相比，TFF法可节省95%的时间，并能减少手动操作时间及石墨烯废物，同时保持较高的石墨烯回收率。我们使用Vivaflow®进行TFF，这是一种切向流过滤系统，能够处理多达5升的初始样本量，其适用于研究和工艺开发实验室。”与离心法不同，这些设备中的超滤膜可有效截留各种尺寸的石墨烯颗粒。这不仅有助于防止产量降低，还可减少商业生产阶段起始物料的用量。此外，可以使用工艺规模的系统进行TFF，以进行数百升到数千升的生产。这样，它就可以克服离心法的容量限制，成为一种有效的可放大技术。

优化纳米微粒制备流程的一些建议

Cashman提到：“确保高处理速度及高回收率的关键是为所有目标分子选择正确的膜材料及截留分子量（MWCO）。理想的做法是，应为每种纳米微粒测试多种材料和截留分子量。”

与石墨烯一样，有许多案例表明，使用超滤代替传统的技术可以提高处理速度，同时保持甚至提高产量。这在使用外泌体及其他膜泡形式的纳米微粒的情况中更为有益，因为它们通常需要在生产过程中进行浓缩。浓缩这类纳米微粒的传统方法是超速离心，而这种方法需要大量时间，并且处理大样本量的能力也十分有限。此外，在高离心力的作用下，施加在样品上的压力也会提高外为体受损，进而降低产量的风险。相比之下，超滤则是一种更快、更温和的可放大技术。

Cashman分享道：“如果为了在确定纳米微粒功能化后的耦合或包封效率时获得最佳结果，最好选择无支撑层（如三醋酸纤维素）的装置，因为这可以最大限度降低游离药物被吸附的几率。在诊断成像等一些应用中，需要使用试剂来标记纳米微粒，那么去除其中未结合的染料或同位素就变得很重要。与之前用于测量结合或包封效率的方法类似，超滤可有效滤除纳米微粒中的未结合的染料。”此外，透析可以与超滤一起使用，以提高未结合染料的去除效率。

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