通过中空纤维洗滤纯化纳米颗粒

简介

相较于传统的纳米颗粒纯化方法，如超速离心、搅拌室过滤、透析或者层析方法，中空纤维洗滤（中空纤维切向流过滤）是一种更加高效、快速的替代方法。中空纤维洗滤可以用于纯化多种纳米颗粒，包括脂质体、胶乳颗粒、磁珠以及纳米管^1,2。

中空纤维洗滤是一种基于膜分离的技术，膜孔径的大小决定了大分子或颗粒是被截留还是通过。这是一种流动的过程，样品温和循环通过管状膜。通过缓冲液的置换，可以获得纯化的纳米颗粒。中空纤维膜洗滤可以从研发体积直接线性放大到生产规模。通过增加膜纤维数量并维持关键操作参数，大体积样品可在和小规模研发体积一致的条件下完成。

材料和方法

考虑到未反应副产物分子量（< 50kD）以及聚合物纳米颗粒（250 kD）的大小，选择使用100 kD 聚砜中空纤维膜。由于管的收缩效应，中空纤维的管状几何结构有利于颗粒汇聚到中空纤维的中心，因为此处流速最高³。

试验规模洗滤使用1200 mL 8%的聚合物纳米颗粒溶液。鉴于500 cps的较高粘度，选择进行非连续洗滤。对产品进行起始稀释，可达到最佳的滤液流率和工艺压力，并有助于洗滤缓冲液与聚合物溶液的混合。工艺过程使用带数据采集软件和压力显示器的研发用切向流过滤系统（仕必纯 KrosFlo 研发用IIi TFF系统，产品编号：SYR2-U20-A）。

KrosFlo Research 2i [KR2i] 切向流过滤系统

结果

1200 mL 溶液灌入4L TFF料液容器（产品编号：ACBT-4TC），并用去离子水稀释到2400 mL。设置初始进样泵进样流速为950 mL/min，在此进样流率下，中空纤维膜内可形成稳定的层流，剪切为4000s^-1，图1显示流率/纤维与剪切力的关系。通过压缩软管直径方法，提高背压，使跨膜压达到20 psig，膜组件入口/出口压力降为7 psig。

在刻度量筒内开始滤液收集，以监测工艺体积和滤液流量。当收集的滤液体积与起始体积相等时（1200 mL），对工艺样品进行分析，产物再稀释两倍到4%。稀释的体积作为一次洗滤的体积。该步骤重复9次。在整个工艺过程中，数据采集软件收集压力和流率数据，得到一个实时的工艺图表，这对于直接放大到大容量处理十分重要（图2 & 3）。

讨论

正如预期，处理压力随每次稀释/浓缩操作而周期性变化，当浓度从4% 到达8% 时，压力上升，每次稀释之后，又回到起始值。压力的增加是由于在浓缩过程中粘度的增加以及膜表面颗粒浓度的增加所造成的，是切向流过滤过程的典型现象。单位膜面积的滤液流率，亦即过滤流率，随聚合物纳米颗粒的浓度在15-20 L/M2/hr范围内变化。样品分析显示，取决于转入的浓缩因子（基于工艺原料的粘度），副产物的清除效率（截留率）高于50%，从而影响溶质清除的渗透性，如下所示：

Y=%清除的滤液溶质                  

VO/VR=体积变化比率

n=塔板数

R=截留率

洗滤的清除效率有赖于小分子量副产物通过膜的难易程度。TFF（切向流过滤处理）过程中，膜表面截留物质的浓度对小分子的传输有显著的影响。滤液中副产物的浓度除以截留液中副产物的浓度即可计算得到透过的效率。

通过HPLC和功能分析显示，实验中副产物的起始透过率为59%，随着每次洗滤完成降低到43%。在一些起始溶液粘度较低的洗滤操作中，透过率可达到90-100%，只需要4-5 次洗滤即可将小分子量分子降低到极低水平。

数次研发规模切向流过滤洗滤试验保证了快速工艺放大到12 L的中试规模批处理量。为确定工艺放大所需的膜面积，如果两种规模使用相同的产品浓度，按恒定工艺体积/膜面积比例进行线性放大。

计算得到，对于12 L中试规模体积，应选择膜面积为0.57 M2 的100 kD 聚砜中空纤维组件（仕必纯MiniKros Sampler组件，纤维数约为1800，纤维长度为20 cm），在5.2 LPM进样流率条件下，剪切为4000sec^-1。

12L工艺处理的滤液流量、处理时间和收率重复性良好。唯一的差别是，由于纤维长度较长（中试规模20 cm vs 研发规模12 cm），进样-截留压力降更高。下表为详细结果。

参考文献

[1] A.G. Rinzler et.al “Large-scale Purification ofsingle-wall carbon nanotubes, process, product, and characterization”Appl.Phy.A 67,29-37 (1988)

[2] Scott Sweeney at. Al. “Rapid Purification and sizeseparation of gold nanoparticles via diafiltration” J.Am.Chem Soc. 128,3190-3197 (2006).

[3] Mark C. Porter, Handbook of Industrial MembraneTechnology, Noyes Publications. Pp 186-187. (1990).