无菌过滤中滤膜冲洗的关键考量：聚醚砜膜褶皱与非褶皱结构的吸附与浸出行为案例研究

　　本研究针对无菌过滤过程中聚醚砜（PES）膜过滤器在单抗制剂应用中的吸附与浸出问题，系统比较了褶皱与非褶皱结构的性能差异。研究发现褶皱滤膜出现非褶皱滤膜未检出的次级峰（疑似PVP共聚物浸出物），且表面活性剂PS80吸附行为存在显著差异，表明非褶皱滤膜不能作为褶皱滤芯的可靠小规模模型。该研究为生物制药过滤工艺开发提供了关键实验依据。

　　

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在生物制药领域，无菌过滤是注射类药品生产过程中至关重要的环节。单克隆抗体（mAb）药物制剂需要通过滤膜去除微生物，但滤膜本身可能吸附蛋白质和表面活性剂，甚至会释放出浸出物（leachables），这些物质可能影响药品的安全性和质量。特别是常用的聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯（PVDF）滤膜，经过亲水性改性后含有润湿剂（如聚乙烯吡咯烷酮PVP），这些添加剂可能成为浸出物的来源。在实际生产中，为了节省药物原料并优化工艺，研究人员通常使用小规模的平片滤膜（非褶皱结构）来模拟大规模褶皱滤芯的行为。然而，先前研究表明，褶皱和非褶皱滤膜的放大效应并不总是线性相关，这给工艺开发带来了挑战。

近期，Regeneron Pharmaceuticals, Inc.的Sameera Sansare、James Mutino、Sonia Bedi等研究人员在《Journal of Pharmaceutical Sciences》发表了一项案例研究，深入探讨了在滤膜冲洗研究中，小规模模型选择的关键考量。该研究聚焦于高浓度单抗制剂中使用PES滤膜时，褶皱与非褶皱结构在聚山梨酯80（PS80）吸附分析和浸出物行为方面的差异。

为开展本研究，团队采用的主要技术方法包括：使用不同构型的PES滤膜（非褶皱、小规模褶皱胶囊A和大规模褶皱胶囊B）进行过滤实验，通过蠕动泵控制流速并收集洗脱液；采用SoloVPE变量光程紫外光谱测定蛋白浓度，CAD-UPLC（荷电气溶胶检测-超高效液相色谱）分析PS80浓度及次级浸出峰，SE-UPLC（尺寸排阻色谱）评估蛋白聚集情况，并运用2D CAD-UPLC和2D LC-MS（二维液相色谱-质谱联用）对浸出物进行表征。所有实验均使用Regeneron自有单抗药物制剂，并严格控制体积-表面积比（V/SA）和通量（flux）等关键参数。

研究结果与讨论

Study 1 – 流速5 mL/min（非褶皱 vs. 褶皱滤膜A）

在相同流速下，非褶皱滤膜（通量0.145 mL/min/cm2）未观察到次级峰，而褶皱滤膜A（通量0.024 mL/min/cm2）则在CAD-UPLC图中出现明显次级峰，且该峰在前8个馏分中逐渐消失。这表明滤膜构型而非通量差异是导致现象的主要原因。

Study 2 – 高通量（0.145 mL/min/cm2）下的褶皱滤膜A

将褶皱滤膜A的通量提高至与非褶皱滤膜相同的高通量水平，次级峰依然存在，且在前10个馏分中清晰可辨。这进一步证实通量不是影响次级峰出现的关键因素。

Study 3 – 低通量（0.024 mL/min/cm2）下的非褶皱滤膜

即使将非褶皱滤膜的通量降至与褶皱滤膜A相同的低水平，也未检测到次级峰。再次说明滤膜的物理构型（褶皱 vs. 非褶皱）是产生差异的根本原因。

Study 4 – 中等通量（0.087 mL/min/cm2）下的大规模褶皱滤膜B

使用更大表面积（5200 cm2）的褶皱滤膜B进行实验，在中等通量下同样观察到次级峰，且该峰持续至第10个馏分（367 mL）后才消失。证明次级峰现象在不同规模的褶皱滤膜中均存在。

Study 5 – 从滤壳中提取膜片的研究

将褶皱滤膜B的膜片提取出来，展平后装入不锈钢组件中模拟非褶皱过滤环境。无论是否保留支撑膜，次级峰均未出现。这表明支撑膜本身不是浸出源，而滤膜的褶皱结构、滤壳材料或其他组件可能是导致浸出物释放的关键。

蛋白与PS80吸附分析

在整个研究过程中，所有滤膜构型均未出现显著的蛋白吸附。然而，PS80的吸附行为则显著不同：非褶皱滤膜在V/SA达到0.07 mL/cm2时吸附即达到平台期，而褶皱滤膜则需要0.1 mL/cm2。这意味着若基于非褶皱模型估算褶皱滤膜的冲洗体积，会低估实际需求，从而导致浸出物残留或PS80回收不足的风险。

次级峰评估与鉴定

通过2D CAD-UPLC和2D LC-MS分析，发现次级峰与PS80的POE单酯峰分离，且其出现与PS80存在与否无关，证实它是一种直接从滤膜释放的浸出物而非结合物。通过对比供应商提供的可提取物清单和加标实验，推测该浸出物为聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯酯（PVP-VA）共聚物。尽管该浸出物在长期储存中未影响蛋白稳定性（24-28个月内蛋白浓度和高分子量种类均无显著变化），但其存在可能对其他敏感蛋白构成风险。

结论与意义

本研究通过系统实验证明，聚醚砜非褶皱滤膜在吸附行为和浸出物释放方面与褶皱滤芯存在显著差异，不能作为后者的可靠小规模模型。褶皱滤膜特有的次级峰（PVP-VA浸出物）和更高的PS80吸附需求，意味着基于非褶皱模型的冲洗体积估算可能导致工艺设计缺陷。该研究强调了在生物制药过滤工艺开发中，必须谨慎选择小规模模型，并充分考虑滤膜构型、通量和浸出物风险等因素，以确保药品质量和工艺稳健性。