微流控切向流过滤装置在高通量生物工艺开发中的应用与性能优化研究

针对生物制药中缺乏标准化微尺度过滤解决方案的问题，研究人员开发了一种模块化微流控切向流过滤(μTFF)装置，支持任意平板膜快速更换，在1 bar跨膜压力(TMP)下单次通过回收率超80%，通量范围达30-1055 LMH，并验证了原位清洗(CIP)程序，为生物工艺开发提供了高通量筛选平台。

　　

在生物制药领域，高效、低成本的工艺开发一直是行业追求的目标。当前，虽然细胞培养和纯化技术已取得显著进展，但微尺度过滤解决方案仍存在明显缺口。传统过滤系统需要大量原料（>100 mL），且难以模拟工业规模的流体动力学条件，这严重限制了早期工艺开发阶段的筛选效率。更棘手的是，现有设备普遍存在膜更换繁琐、操作参数控制不精准等问题，导致数据可比性差、开发周期长。

针对这些挑战，来自英国伦敦大学学院（University College London）的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表了一项创新研究。他们基于O'Sullivan等人早期设计的改良思路，开发出新型模块化微流控切向流过滤(μTFF)装置。该装置采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)框架和3D打印柔性树脂密封层，通过精密扭矩控制实现1.42 cm²有效膜面积的稳定密封，最大耐受压力达5 bar。研究创新性地集成压力传感器实现跨膜压力(TMP)实时监测，并系统评估了注射泵与蠕动泵在不同通量(30-1055 LMH)和牛血清白蛋白(BSA)浓度(5-100 g·L^-1)下的性能差异。

关键技术方法包括：1) CNC加工和3D打印制备装置核心组件；2) 采用甲基蓝染色法定量膜有效面积；3) 通过水通量测试计算膜阻力(R_m)和标准化水渗透率(NWP)；4) 使用BCA法测定BSA回收率；5) 0.5 M NaOH原位清洗(CIP)评估膜重复使用性。

研究结果显示：在"3.1 微流控过滤装置设计"部分，改进的夹持结构使组装时间缩短80%，膜更换可在2分钟内完成。关键数据表明："3.2.1 恒定TMP下最佳通量范围确定"证实注射泵在30-422 LMH、蠕动泵在106-1055 LMH区间能稳定维持1 bar TMP；"3.2.2 操作效能：过滤收率"显示单次通过模式下BSA回收率超80%，渗透液损失<2%；"3.2.3 操作效能：膜凝胶形成"通过NWP比值分析证实，经4次循环使用后膜性能衰减<20%。特别值得注意的是，"3.3 多次单程运行下的膜操作效率"验证了0.5 M NaOH清洗可使膜阻力(R_m1)恢复至初始值90%以上。

在讨论环节，作者重点强调了三个突破性进展：首先，装置剪切速率(γ_w)7-250 s^-1的设计既保证了过滤效率，又避免了蛋白质结构损伤（VWF聚集阈值>2300 s^-1）。其次，建立的泵选型标准（"3.4 不同泵系统的应用与影响"）为实际应用提供明确指导：注射泵适合低通量精密控制，而蠕动泵更适用于高通量连续操作。最后，模块化设计支持与色谱等下游工序联用，这为构建全流程微流控生物工艺开发平台奠定了基础。

这项研究的工业价值在于：相比商业TFF系统（如aμtoPulse-TFF）250 μL的死体积，该装置将系统死体积降至221±5 μL，原料消耗降低100倍。正如作者指出，这种标准化设计有望推动"即用型"微流控过滤解决方案的产业化，加速生物制药从实验室走向生产的进程。未来通过集成自动化控制系统和扩大膜面积，该技术或将成为生物工艺开发不可或缺的高通量筛选工具。