如何利用超濾技術(shù)對納米微粒制備流程進行分析和優(yōu)化
Overview
了解納米微粒如何改善醫(yī)療領(lǐng)域的藥物遞送，以及如何使用超濾技術(shù)來對納米微粒制備流程進行分析和優(yōu)化。在過去的一個世紀里，新的研究方法通過不斷加快發(fā)現(xiàn)甚至是設(shè)計新的靶點來改變著藥物領(lǐng)域。與此同時，科學家們也在研究將藥物運送并有效遞送至體內(nèi)靶點部位的新方法。納米技術(shù)，尤其是納米微粒的生產(chǎn)，作為一種改進傳統(tǒng)藥物遞送方法的手段，受到了廣泛關(guān)注。
John Cashman，賽多利斯
賽多利斯實驗室超濾解決方案全球產(chǎn)品經(jīng)理
藥物遞送中的
納米微粒制備流程與分析
納米微粒的生產(chǎn)通常分為三個步驟：組裝、純化及濃縮。根據(jù)所涉及應用的不同，這些步驟的嚴格程度也可能會有所變化。例如，藥物遞送應用需要高純度和高效率的納米微粒，以確保治療有效且不會產(chǎn)生不良的副作用。藥物既可以與納米粒表面偶聯(lián)，也可以封裝在由脂質(zhì)組裝的膜泡中，這個工藝也被稱為納米微粒的“功能化”。功能化很難達到100%有效性，為了確保其能成功實現(xiàn)，就需要進行各種分析性及驗證性分析。
為了確定給患者服用的藥物數(shù)量并確保劑量正確，其中重要的一項常規(guī)分析就是測量納米粒的偶聯(lián)或包封效率。這樣，就需要一種分離工藝（比如超濾），以從納米粒結(jié)合藥物中分離出游離藥物，從而確定與納米微粒偶聯(lián)藥物的含量。超濾主要根據(jù)分子的大小，使用具有超細孔徑的膜來分離分子。Cashman解釋道：“游離藥物和納米微粒結(jié)合藥物的大小通常存在顯著的差異，超濾就成為了分離這些藥物的有效技術(shù)。只要使用功能化納米微粒的尺寸比其標稱膜孔徑大很多的設(shè)備，即可截留納米微粒結(jié)合的藥物，而尺寸較小的游離藥物分子則會通過膜。”這樣，通過超濾就可將游離藥物（在滲透液樣品中）從功能化納米微粒（在滯留物樣品中）中分離出來。對透過液中的藥物濃度與樣品制備開始時添加的藥物濃度進行比較，即可獲得結(jié)合或包封效率測量值，以百分比表示。
為了確定給患者服用的藥物數(shù)量并確保劑量正確，其中重要的一項常規(guī)分析就是測量納米粒的偶聯(lián)或包封效率。這樣，就需要一種分離工藝（比如超濾），以從納米粒結(jié)合藥物中分離出游離藥物，從而確定與納米微粒偶聯(lián)藥物的含量。超濾主要根據(jù)分子的大小，使用具有超細孔徑的膜來分離分子。Cashman解釋道：“游離藥物和納米微粒結(jié)合藥物的大小通常存在顯著的差異，超濾就成為了分離這些藥物的有效技術(shù)。只要使用功能化納米微粒的尺寸比其標稱膜孔徑大很多的設(shè)備，即可截留納米微粒結(jié)合的藥物，而尺寸較小的游離藥物分子則會通過膜。”這樣，通過超濾就可將游離藥物（在滲透液樣品中）從功能化納米微粒（在滯留物樣品中）中分離出來。對透過液中的藥物濃度與樣品制備開始時添加的藥物濃度進行比較，即可獲得結(jié)合或包封效率測量值，以百分比表示。
納米微粒的可持續(xù)生產(chǎn)：
石墨烯案例研究
石墨烯案例研究
在納米微粒的整個生產(chǎn)過程中，超濾是一種不可或缺的方法。這對于難以制備的納米微粒來說尤其如此，例如石墨烯，這是醫(yī)學中常用的一種物質(zhì)。雖然最初的合成很簡單，但所得到的石墨烯具有很強的酸性，并含有多種雜質(zhì)。Cashman分享道：“正是身體內(nèi)靶點部位的酸性環(huán)境（比如腫瘤微環(huán)境）會觸發(fā)藥物從石墨烯表面釋放出來。這意味著石墨烯的pH值對靶向治療的實現(xiàn)至關(guān)重要，因此，必須在生產(chǎn)后對石墨烯進行徹底洗滌及中和。”
這種洗滌過程通常要完成多個離心步驟，一周時間制備出的量也相對較少，而且需要人工完成相當多的工作。除了在樣品容量和可放大性方面受到限制外，離心處理后也會產(chǎn)生大量含有石墨烯的廢物，這些廢物如未進行適當?shù)奶幚�，可能會對環(huán)境產(chǎn)生危害。此外，離心也可能導致上清液部分的收率明顯降低，上清液中通常含有較小的石墨烯片，因為相對于樣品中較大的石墨烯片，它們的沉降速度較慢。這是離心處理的一個顯著缺點，因為這些小尺寸的石墨烯片比大石墨烯片更具生物醫(yī)學相關(guān)性。
這種洗滌過程通常要完成多個離心步驟，一周時間制備出的量也相對較少，而且需要人工完成相當多的工作。除了在樣品容量和可放大性方面受到限制外，離心處理后也會產(chǎn)生大量含有石墨烯的廢物，這些廢物如未進行適當?shù)奶幚�，可能會對環(huán)境產(chǎn)生危害。此外，離心也可能導致上清液部分的收率明顯降低，上清液中通常含有較小的石墨烯片，因為相對于樣品中較大的石墨烯片，它們的沉降速度較慢。這是離心處理的一個顯著缺點，因為這些小尺寸的石墨烯片比大石墨烯片更具生物醫(yī)學相關(guān)性。
Vivaflow® TFF膜包
在尋求經(jīng)過改進且可持續(xù)的離心替代方案的過程中，賽多利斯與挪威斯塔萬格大學生物工程團隊的Abdelnour Alhourani合作開發(fā)出了一種用于石墨烯洗滌及pH中和的切向流過濾（TFF）方法。進行切向流過濾時，即可通過滲濾連續(xù)洗滌納米微粒。Cashman說道：“與離心法相比，TFF法可節(jié)省95%的時間，并能減少手動操作時間及石墨烯廢物，同時保持較高的石墨烯回收率。我們使用Vivaflow®進行TFF，這是一種切向流過濾系統(tǒng)，能夠處理多達5升的初始樣本量，其適用于研究和工藝開發(fā)實驗室。”與離心法不同，這些設(shè)備中的超濾膜可有效截留各種尺寸的石墨烯顆粒。這不僅有助于防止產(chǎn)量降低，還可減少商業(yè)生產(chǎn)階段起始物料的用量。此外，可以使用工藝規(guī)模的系統(tǒng)進行TFF，以進行數(shù)百升到數(shù)千升的生產(chǎn)。這樣，它就可以克服離心法的容量限制，成為一種有效的可放大技術(shù)。
優(yōu)化納米制備流程的一些建議
Cashman提到：“確保高處理速度及高回收率的關(guān)鍵是為所有目標分子選擇正確的膜材料及截留分子量（MWCO）。理想的做法是，應為每種納米微粒測試多種材料和截留分子量。”與石墨烯一樣，有許多案例表明，使用超濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)的技術(shù)可以提高處理速度，同時保持甚至提高產(chǎn)量。這在使用外泌體及其他膜泡形式的納米微粒的情況中更為有益，因為它們通常需要在生產(chǎn)過程中進行濃縮。濃縮這類納米微粒的傳統(tǒng)方法是超速離心，而這種方法需要大量時間，并且處理大樣本量的能力也十分有限。此外，在高離心力的作用下，施加在樣品上的壓力也會提高外為體受損，進而降低產(chǎn)量的風險。相比之下，超濾則是一種更快、更溫和的可放大技術(shù)。
Cashman分享道：“如果為了在確定納米微粒功能化后的耦合或包封效率時獲得最佳結(jié)果，最好選擇無支撐層（如三醋酸纖維素）的裝置，因為這可以最大限度降低游離藥物被吸附的幾率。在診斷成像等一些應用中，需要使用試劑來標記納米微粒，那么去除其中未結(jié)合的染料或同位素就變得很重要。與之前用于測量結(jié)合或包封效率的方法類似，超濾可有效濾除納米微粒中的未結(jié)合的染料。”此外，透析可以與超濾一起使用，以提高未結(jié)合染料的去除效率。
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免費下載賽多利斯超濾產(chǎn)品應用指南《簡評賽多利斯超濾產(chǎn)品在生物納米顆粒和醫(yī)用納米載體制備中的效果》，了解適用于多種納米微粒類型的具體設(shè)備及MWCO建議。
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納米微粒的多樣化未來
很明顯，納米微粒的潛力才剛剛被大家發(fā)現(xiàn)。除了醫(yī)學研究，納米微粒還可用于化妝品生產(chǎn)和自清潔表面涂層有關(guān)的應用。Cashman總結(jié)道：“納米微粒的許多應用也在不斷地變化，我們預計，超濾會繼續(xù)在這些材料的純化和分析樣品制備中發(fā)揮重要的作用。”申請試用
Vivaspin®超濾離心濃縮管
來源：德國賽多利斯集團
聯(lián)系電話：實驗室產(chǎn)品與服務(wù)事業(yè)部：400 920 9889 / 生物工藝解決方案事業(yè)部：400 680 1870
E-mail：info.cn@sartorius.com
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