通过合理选择预过滤器的性能来优化纳米乳液的无菌过滤过程

《Biotechnology Progress》：Optimizing sterile filtration of nanoemulsions through proper choice of prefilter properties

纳米乳剂（NEs）因作为疫苗佐剂和药物递送系统的潜力备受关注，但其灭菌过滤易因纳米滴plet与滤膜孔径（0.2μm）相近导致严重污染。本研究通过测试不同孔径、化学及结构的预过滤器，发现表面亲脂性适中的0.45μm PVDF预过滤器（如Sterlitech）能显著降低NE表面张力（减少6%），并使灭菌滤膜容量提升2-10倍。关键机制包括预过滤器选择性吸附NE中疏水成分（如游离Span85或squalene），并通过调节孔结构分布减少膜堵塞。研究为优化生物制药中NE的灭菌过滤工艺提供了理论依据。

　　纳米乳液作为一种新型的药物递送系统和疫苗佐剂，因其独特的物理化学特性而受到广泛关注。纳米乳液中的微滴尺寸通常介于20至200纳米之间，这种细小的尺寸使得它们在许多生物制药应用中表现出优异的性能。然而，在进行无菌过滤时，纳米乳液的微滴尺寸与0.2微米无菌过滤膜的孔径非常接近，这导致了膜污染问题，进而降低了过滤效率和产量。因此，如何选择合适的预过滤膜成为了一个关键的技术挑战。

预过滤膜的作用在于减少主过滤膜的污染，从而提高其过滤能力和整体生产效率。然而，目前对于如何根据纳米乳液的特性选择合适的预过滤膜，尚缺乏明确的指导原则。本研究通过系统评估不同预过滤膜的孔径形态、化学性质和表面特性，揭示了预过滤膜对纳米乳液无菌过滤性能的影响。研究发现，某些特定的预过滤膜能够显著改善过滤效果，例如一种具有中等亲水性涂层的聚偏二氟乙烯（PVDF）预过滤膜，其孔径为0.45微米，能够将主过滤膜的过滤能力提升超过两倍。

在实验设计方面，研究人员首先制备了油包水型纳米乳液，并通过动态光散射技术（DLS）分析其微滴尺寸分布。随后，他们测试了多种预过滤膜，包括不同孔径、不同化学成分和不同表面特性的膜，并使用气泡点测试和汞渗透孔隙度分析来评估这些预过滤膜的孔径分布特性。此外，通过接触角测量和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员评估了预过滤膜的表面亲水性和化学组成。这些方法为理解预过滤膜如何影响纳米乳液的过滤性能提供了重要的数据支持。

实验结果显示，预过滤膜的表面亲水性在决定其对纳米乳液过滤效果方面起到了关键作用。例如，0.45微米的Sterlitech PVDF预过滤膜虽然本身具有一定的疏水性，但其表面经过了含有氧元素的亲水性涂层处理，使得纳米乳液在通过预过滤膜后，表面张力显著降低。这种降低的表面张力可能是由于预过滤膜在过滤过程中对纳米乳液中部分疏水成分（如游离的角鲨烯或Span 85）的吸附作用，从而改变了纳米乳液的物理特性。这种变化使得纳米乳液更容易通过主过滤膜，显著提高了过滤效率和产量。

此外，研究还发现，预过滤膜的孔径分布对过滤性能也有重要影响。例如，尽管0.45微米的Nylon预过滤膜和Sterlitech PVDF预过滤膜具有相似的表面接触角，但它们对主过滤膜的过滤能力影响却大相径庭。这表明，除了表面化学性质外，预过滤膜的孔径结构和分布同样在过滤过程中扮演了重要角色。具体而言，Sterlitech PVDF预过滤膜具有较宽的孔径分布，这可能有助于纳米乳液中不同大小的微滴通过预过滤膜，从而减少主过滤膜的污染。

在对不同预过滤膜的过滤性能进行比较时，研究发现0.8微米的Pall Supor预过滤膜和0.45微米的Sterlitech PVDF预过滤膜表现最为出色。其中，Sterlitech PVDF预过滤膜在所有测试的无菌过滤膜中都显著提高了过滤能力，尤其是在某些情况下，其提升效果甚至超过了十倍。这一结果表明，通过优化预过滤膜的化学组成和表面特性，可以有效改善纳米乳液的过滤性能。

本研究还探讨了预过滤膜的化学组成对其过滤性能的影响。通过XPS分析，研究人员发现不同预过滤膜的元素组成存在显著差异。例如，0.45微米的Durapore预过滤膜含有12%的氧元素，而Sterlitech PVDF预过滤膜仅含有3.7%的氧元素。这种差异可能与其表面的亲水性有关，进而影响了纳米乳液的过滤行为。同时，研究还指出，某些预过滤膜在过滤过程中表现出时间依赖性的接触角变化，这表明其表面特性可能会随着过滤过程而发生变化，从而进一步影响过滤效果。

通过这些实验，研究人员不仅揭示了预过滤膜在纳米乳液无菌过滤中的重要作用，还提出了一个基于预过滤膜化学特性和孔径结构的筛选框架。这一框架对于生物制药行业的实际应用具有重要意义，特别是在纳米乳液作为药物递送系统和疫苗佐剂的生产过程中。研究结果表明，选择合适的预过滤膜不仅可以提高过滤效率，还能降低生产成本，提高产品质量和稳定性。

总之，本研究为纳米乳液的无菌过滤提供了一个重要的技术指导，强调了预过滤膜的化学性质和孔径分布对其过滤性能的关键影响。这些发现有助于推动纳米乳液在生物制药领域的应用，特别是在需要高过滤能力和稳定性的场景中。未来的研究可以进一步探索不同预过滤膜与纳米乳液之间复杂的相互作用机制，从而开发出更加高效的过滤系统。