《Journal of Membrane Science》：Enhancing Forward Osmosis for Concentrating Biotherapeutics Using Structurally Optimized Membranes and Macromolecular Draw Solutes
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摘要反渗透技术作为超滤技术的替代方案，在浓缩单克隆抗体及其他生物制剂方面展现出巨大潜力，它能够实现较高的产品回收率以及更高浓度的制剂。然而，其工业应用却受到显著的反向盐通量以及较低过滤速率的制约。我们的假设是，通过将高渗透性反渗透膜与高分子吸盐剂相结合，可以解决这两大难题。我们测
摘要
反渗透技术作为超滤技术的替代方案，在浓缩单克隆抗体及其他生物制剂方面展现出巨大潜力，它能够实现较高的产品回收率以及更高浓度的制剂。然而，其工业应用却受到显著的反向盐通量以及较低过滤速率的制约。我们的假设是，通过将高渗透性反渗透膜与高分子吸盐剂相结合，可以解决这两大难题。我们测试了多种不同形态的反渗透膜和纳滤膜，以找出最适合该应用的膜材料。聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸盐和聚乙烯亚胺都被作为吸盐剂进行了试验。由于膜结构的不同，内部浓度极化的程度也存在差异，而以NaCl作为渗透剂时所测得的结构参数值也有所不同，因此反渗透过程中的水通量与膜的渗透性并无直接关联。批量浓缩实验表明，经过优化的反渗透系统能够将人免疫球蛋白G的浓度提升至310克/升以上，这一数值超过了此前的记录水平，同时反向溶质通量也非常低（使用NaCl作为吸盐剂时为30克/平方米/小时，而优化后则低于0.2克/平方米/小时）。这些结果为克服反渗透技术中的关键限制提供了途径，有望使其成为制备高浓度生物制剂的可行技术。
引言
为了能够在单次皮下注射中给予所需的治疗剂量，往往需要制备高浓度的生物制剂[1]。虽然超滤技术是蛋白质浓缩的标准方法，但由于浓缩后蛋白质溶液的高渗透压和高粘度，其性能会受到严重限制，从而导致通量大幅下降，处理能力降低[2]、[3]。例如，Winter[4]的研究表明，传统超滤技术在某种重组人单克隆抗体的制备过程中，只能将最终浓度控制在80克/升左右，远低于该产品110克/升的目标浓度。在这种情况下，可以通过在45摄氏度下进行超滤操作来降低浓缩后抗体溶液的粘度，从而达到所需的浓度，但高温环境会在大规模生产中带来诸多问题，还可能引发某些生物制品的聚集或变性现象。
Lutz等人[5]指出，高蛋白质浓度下渗透压和溶液粘度的迅速上升会导致跨膜压力限制，进而影响超滤过程中蛋白质的浓缩程度。他们通过设计具有更开放结构间隙的特殊模块，部分解决了这些问题，但这种方式仅能小幅提高蛋白质的最大浓缩浓度。Hung等人[6]则发现，通过添加辅料来降低溶液粘度并减少浓度极化效应，也能提高超滤过程中的蛋白质浓缩浓度。
在我们之前的研究中，我们首次证明反渗透技术可以作为超滤技术的有效替代方案，用于单克隆抗体的浓缩——因为它能够在极高的渗透压驱动作用下运行，这一数值远远超出现有超滤膜及装置的最高液压压力极限[7]。具体而言，我们使用1摩尔/升的NaCl作为吸盐溶液，通过反渗透技术将人血清免疫球蛋白G的浓度提升到了280毫克/毫升以上，而此时使用的渗透压驱动力高达50巴；相比之下，使用超滤技术时，在2到2.5巴的进料压力下，该蛋白的最大浓缩浓度仅为约160毫克/毫升。不过，反渗透技术在生物制剂后处理中的应用仍面临两大限制：一是作为渗透剂的浓缩NaCl溶液会引发反向溶质通量现象，二是其滤液流速相对较低，低于超滤技术[8]。反向溶质通量不仅会降低渗透剂的效果，还可能影响生物制药的质量，因为这类产品通常需要在特定的缓冲条件下进行配制，才能确保其在运输、储存过程中的稳定性，以及与患者输注系统的兼容性[9]。因此，将反渗透技术应用于生物制剂浓缩时，核心挑战并非仅仅创造足够的渗透压驱动力，而是要找到能够同时实现高水通量、低反向溶质通量以及最小化蛋白质不可逆污染的膜材料与吸盐剂组合。
此前已有研究指出，在水处理和海水淡化领域，通过在吸盐溶液中使用体积更大的渗透剂，可以有效降低反渗透过程中的反向溶质通量。高分子吸盐剂，尤其是聚丙烯酸钠盐和聚苯乙烯磺酸盐这类聚电解质，由于其分子体积较大，能够有效阻挡溶剂进入膜孔，从而显著降低反向溶质通量。例如，Emadzadeh等人[10]发现，使用聚苯乙烯磺酸盐作为吸盐剂时，通过醋酸纤维素三乙酸酯反渗透膜的反向溶质通量可低于0.2克/平方米·小时，而同等电导率下的NaCl则会导致超过4克/平方米·小时的反向溶质通量。类似地，对于线性聚丙烯酸钠盐的研究也显示，其反向溶质通量约为0.1克/平方米·小时，而海水提取的NaCl作为吸盐剂时，其反向溶质通量则可高达30到35克/平方米·小时[11]。Jun等人[12]则研究了线型及支链型聚乙烯亚胺作为吸盐剂的应用，结果发现，由于分子扩散系数更大、粘度更低，分子量较低的聚乙烯亚胺能够带来更高的水通量。Kishimoto等人[13]则利用一种热响应型的环氧乙烷-环氧丙烷共聚物作为吸盐剂，建立了反渗透模型，证明了内部和外部浓度极化对水通量的重要影响。在其他反渗透应用中，也研究过大分子量的吸盐剂，比如用于浓缩刚果红染料[14]，以及用于有机溶剂反渗透法纯化四环素[15]，但这些大分子量吸盐剂在生物制剂浓缩领域的效果尚需进一步研究。
本研究的主要目标是：（1）以人免疫球蛋白G为模型蛋白，探索如何克服以NaCl作为渗透剂时的反渗透技术所存在的低水通量和反向盐通量问题，从而实现蛋白质生物制剂的浓缩；（2）深入分析膜的物理特性——包括水力渗透性和结构参数——对反渗透技术在蛋白质生物制剂浓缩及最终制剂制备过程中的影响。研究结果表明，高分子吸盐剂能够显著降低蛋白质浓缩过程中的反向溶质通量，而通过对膜结构进行优化、调整膜的排列方式以及进行预处理，则可以大幅降低内部浓度极化效应，进而提升水通量。值得注意的是，研究结果还表明，较高的膜渗透性并不必然意味着更高的反渗透通量，这凸显了膜结构与内部浓度极化对反渗透性能的重要影响。批量浓缩实验进一步证明，经过优化的反渗透系统不仅能够将人免疫球蛋白G的浓度提升至300克/升以上，还能保持较高的产品回收率，并且反向溶质通量极低，这一表现明显优于超滤技术。
内容片段
材料
冻干后人免疫球蛋白G购自美国加利福尼亚州特梅库拉市的Golden West Diagnostics公司，使用前储存在4摄氏度环境中。进料溶液是通过将人免疫球蛋白G溶解在磷酸盐缓冲液中配制的，缓冲液的pH值为7.5，该缓冲液是由20倍浓度储备液用去离子水稀释而成的（储备液来自马萨诸塞州沃尔瑟姆市的Invitrogen公司）。重新溶解后的人免疫球蛋白G纯度极高，这一纯度水平也反映了使用反渗透技术浓缩蛋白质生物制剂时所期望的极高纯度标准。
吸盐剂的筛选
初步实验旨在检测不同聚电解质作为吸盐剂的效果，这些聚电解质包括聚丙烯酸钠盐（分子量为1200道尔顿）、聚乙烯亚胺（分子量为1400道尔顿）以及聚苯乙烯磺酸盐（分子量为70,000道尔顿）。实验中使用了CTA膜，进料溶液为去离子水，这样可以避免进料液的渗透压和粘度带来的干扰。根据实验需求，进料流率和吸盐剂流率均被设定为300毫升/分钟。
讨论
尽管我们之前的研究已经证明，反渗透技术相比超滤技术能够获得更高的生物制剂最终浓度，但它仍然存在两个主要限制：水通量低以及反向溶质通量高。在本研究中，我们发现使用聚丙烯酸钠盐这类高分子吸盐剂，不仅可以有效消除反向溶质传输现象，还能维持足够的渗透压驱动力，从而实现人免疫球蛋白G的高效浓缩。此外，Porifera膜的使用也为这一过程的实现提供了有力支持。
作者贡献说明
Meilisa Thomas：研究工作执行、数据整理。Nathaniel Heller：研究工作执行、数据整理。Andrew L. Zydney：论文撰写与修改、研究指导、资金申请、概念构思。Vasudev Tangry：论文初稿撰写、研究工作执行、数据分析、数据整理。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了“膜应用科学技术中心”（MAST）的支持，该中心由美国国家科学基金会的IUCRC计划资助，资助编号为2310832。
Vasudev Tangry|Meilisa Thomas|Nathaniel Heller|Andrew L. Zydney
宾夕法尼亚州立大学化学工程系，宾夕法尼亚州大学公园市，邮编16802
