超滤/渗滤（UF/DF）是生物技术行业中用于最终蛋白质浓缩和缓冲液交换以生产原料药的标准单元操作。一些研究人员已经观察到并发表了关于在UF/DF过程中由于再循环剪切和潜在暴露于气液界面而形成高阶聚集体和颗粒的研究。本研究探讨了UF/DF过程中筛网通道诱导剪切对颗粒形成的影响。为此，在固定的横流通量下，在UF/DF过程中检查了不同类型的筛选通道对单克隆抗体和融合蛋白的处理。研究发现，通道诱导的剪切显著影响了某些生物制剂的产品质量，使用各种技术进行测量，如尺寸排阻色谱（SEC）、微流成像（MFI）、动态光散射（DLS）和通过0.2mm滤光片的过滤性。已经证明，具有更开放的筛网通道或“轻微悬浮”进料筛网的钞箱比相应的更紧密或中等筛网钞箱的产品质量始终更好。轻度悬浮的筛网通道的传质系数比开放的非筛网通道高260%，仅比市售的中等筛网盒低22%。因此，轻度悬挂的筛网通道盒提供了开放通道提供的较低压差的液压优势，以及中等筛网通道提供的工艺优势（加工时间），同时为所评估的不同生物制剂提供了始终如一的更好产品质量。本研究的结果可用于生物制剂的UF/DF工艺开发，以生产具有更好产品质量和潜在更少颗粒的原料药（DS）。
生物制品目前用于治疗各种免疫肿瘤学、免疫学和遗传性疾病，通常以非常高的浓度从设备皮下给药，以达到所需的治疗效果。在生物制品的整个制造过程中，包括细胞培养、初级回收、纯化、填充和储存，蛋白质容易发生化学反应（暴露于不同的缓冲液和工艺池保持时间）和物理不稳定（泵送和搅拌）。蛋白质暴露于气液界面、表面吸附或机械应力可能会促进聚集、沉淀和颗粒形成。
蛋白质生物制药的复杂分子结构和几个纯化步骤的存在导致颗粒形成的倾向（二聚体到微米级颗粒）。尽管蛋白质聚集体和颗粒物通常占很小的质量百分比，并且通常不会影响药物效力，但它们可能会引发不希望的免疫原性反应。虽然有人可能会说最终过滤可以去除颗粒物，但谨慎的做法是在最终过滤之前尽量减少颗粒物的形成。此外，根据生物特有的应力和特性，受应力的生物在最终0.2 μm过滤后仍可能形成颗粒。关于蛋白质颗粒形成的不同机制的综述可以在几篇参考文献中找到。几个研究小组认为，超滤/渗滤过程中再循环过程中的气液界面和泵送是蛋白质聚集和颗粒形成的主要原因。研究还报告了再循环对蛋白质结构变化的影响。净化过程对颗粒形成的压力通常被忽视，因为：（1） 最终过滤通常通过0.2um灭菌级过滤器进行，以及（2）加入稳定赋形剂，如戊烯酸或表面活性剂，如聚山梨酯-80，以稳定蛋白质并防止聚集。尽管如此，了解和缓解净化过程中颗粒物的形成非常重要。除了上述加工可能造成的压力外，UF/DF是一个非常动态的单元操作，在渗滤过程中，蛋白质浓度随着体积的减少和缓冲基质的变化而增加。几种蛋白质以浓度聚集的一般倾向和与加工相关的应力表明，以对产品质量影响最小的方式理解和控制这一过程非常重要。
几个小组报告了在最终过滤之前的UF/DF过程中蛋白质聚集体和微米级颗粒的形成。正如Callahan等人所解释的那样，UF/DF装置操作的复杂性导致了UF/DF诱导颗粒形成的主要机制的几个假设：（1）剪切应力，或与膜材料和模块相关的流体流诱导剪切；（2）在长时间的再循环过程中，杂质从接触表面（盒、筛网和管道）浸出到产物流中；（3）暴露于气液界面；（4）泵特有的应力，如气蚀和管道剥落。Callahan等人证明，UF/DF过程中颗粒的形成主要是由于暴露在气液界面。此外，研究表明，搅拌和泵送通过将蛋白质暴露于气液界面诱导颗粒形成。进行再循环研究是为了了解颗粒的形成，然而，这项工作中只使用了一种筛选通道，以消除气液界面的所有其他影响。Rosenberg等人的工作将给定压差和高达140mg/mL的不同再循环条件下的盒壁剪切应力与产品质量相关联。然而，他们的工作使通道保持恒定，并改变了压差（从而改变了再循环条件）。通过使用明渠的近似表达式计算了壁剪应力。他们确实注意到加工条件（进料流量和压差）与颗粒形成之间存在明显的相关性。
据报道，在高蛋白质浓度下，高溶剂速度下使用搅拌池会增加白蛋白在超滤膜上的聚集。其他研究将聚集增加归因于浓度极化效应和蛋白质相互作用。在超滤过程中，部分和完全保留的溶质被对流到膜表面，形成极化边界层，在恒定的跨膜压力下降低渗透通量。较高的渗透通量和较低的横流通量会增加极化程度。具有细筛网的较薄通道会降低浓度极性化，并诱导剪切力来对抗沉降和阻力，但这是以在较高粘度和浓度下可实现的最大浓度和较差的流体动力学为代价的。此外，还假设通道中更大程度的剪切力可能会导致滞留血管中的聚集，也可能导致生物活性的丧失。Biddlecombe等人构建了一个流变仪，研究在存在和不存在气液界面的情况下剪切应变对抗体的影响。当暴露于约2.89x10^4 /s 的剪切应变时，抗体在没有气液界面的情况下确实聚集。据推测，聚结物的形成发生在固液界面，而不是主体液体本身——这是超滤的一种非常典型的现象，由于筛网元件产生的复杂二次流，蛋白质溶液会多次接触筛网和膜壁。
如几项计算研究所示，进料筛等膜间隔物（湍流促进剂）是超滤模块的重要组成部分，对传质性能和压降有重大影响。根据最终浓度，膜盒可提供细筛（高压降）、粗筛（低压降）和开放通道（低压差）。膜盒还配有一个悬挂式进料筛，该进料筛由无纺布垫片固定在更开放的通道中的筛网组成。在浓缩蛋白质溶液的过程中，最终浓度受到泵的排放压力（蠕动泵约为50psi或3.4bar）或盒的压力额定值的限制。因此，使用细筛或中筛盒很难获得高浓度（通常大于200g/L）。为了允许操作到更高的浓度和更高的粘度，需要具有降低的通道压降（更开放的通道）和降低的反向过滤倾向的UF盒，同时保持悬浮进料筛可以提供的相对较高的传质速率。已有研究评估湍流促进剂对UF/DF工艺的影响，但很少有研究将实际分析扩展到生物制剂工艺开发。也有一些研究使用窄的UF/DF操作窗口，使用单个膜通道，对原料药产品质量进行研究。
目前还没有实际研究来检验UF/DF模块在标称和典型制造条件下（TMP、进料流量）对单克隆抗体和融合蛋白等生物制品质量的影响。本研究调查了UF盒模块中使用的进料筛（湍流促进剂）的影响，并了解了治疗性生物制剂UF/DF过程中通道剪切对产品质量的相关性。我们通过评估具有不同类型湍流促进剂的市售UF模块，检查屏幕通道诱导的湍流对颗粒形成的影响，并研究四种不同生物资产的最终原料药中蛋白质的一些生物物理性质来实现这一目标。这项工作的结果表明，通道剪切的类型确实对UF/DF过程中的颗粒形成有显著影响，并检查了一个可行的操作窗口，以尽量减少颗粒的形成。尺寸排阻色谱（SEC）、动态光散射（DLS）、微流成像（MFI）、浊度测量和通过0.2μm过滤器的过滤性用于表征UF/DF过程中各种尺寸的可溶性和不溶性聚集体。我们的实验和分析结果表明，筛网通道诱导的剪切是剪切敏感生物制剂颗粒形成的重要因素，膜组件的优化是UF/DF工艺开发的重要因素。
这是首批研究通道诱导剪切对超滤和渗滤过程中生物制品产品质量影响的研究之一。通道诱导剪切对渗透通量和颗粒形成的影响主要表现为大的可溶性和不溶性聚集体的增加。虽然发现UF/DF后的产品质量是分子特异性的，但这项工作中研究的大多数生物制剂都对通道诱导的剪切有反应。使用更开放、轻度悬挂的筛网通道提供的传质系数仅比不同的中等筛网通道低22%，但为260%高于明渠的水位。此外，在轻度悬挂的筛网通道中，总通道诱导的壁剪应力最低。这直接反映在产品质量上。
可溶性聚集体的增加程度、0.1至10 μm之间的颗粒形成、流体动力学直径和过滤性一致表明，轻度悬浮的筛网通道对产品质量的影响不如中等筛网通道大。与更细的筛网通道相比，轻悬浮筛网通道在高浓度UF/DF操作期间提供了优异的水力特性，最大限度地降低了颗粒形成和可溶性聚集体的风险，同时使蛋白质浓度大于200 g/L。轻悬浮筛网通道的处理时间略有增加，但这是以稳定的压力分布和更好的产品质量为代价的。本研究的结果为生物制剂的UF/DF工艺开发提供了重要的见解和考虑因素。
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