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中式平台-脂质体关键工艺之挤出和超滤

发布时间:2023-04-07

当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时,分子的疏水尾部倾向于聚集在一起,避开水相,而亲水头部暴露在水相,形成具有双分子层结构的封闭囊泡,称为脂质体。脂质体与细胞膜结构和成分高度相似,具有良好的生物相容性并且生物可降解,可以包载多种类型的药物,具有长效靶向性,是一种很好的药物传递工具。从1965年脂质体的概念提出至今,已经发展出多种脂质体制备方法。脂质体的制备流程图见图1,薄膜分散法、溶剂注入法、逆向蒸发法、微流控技术制备得到的是粒径比较大的粗脂质体,在除去有机溶剂后,还需要通过高压均质/薄膜挤出进行整粒及超滤进行纯化,才得到粒径均一、满足使用安全要求的脂质体。脂质体的平均粒径和粒度分布是脂质体药品关键质量属性,显著影响其体内行为。溶解磷脂可能需要用到毒性比较大的有机溶剂,溶剂残留需要符合ICH相关规定,除去可能存在困难。挤出和超滤是影响粒径和溶剂残留的关键工艺,也是达到控制的最后一步工艺。

1  脂质体制备流程图(无载药过程)

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挤出技术

挤出技术利用脂质体磷脂双分子层的结构和性能特点,在略高于磷脂相变温度的条件下,通过一定的外部挤压动力,使脂质体通过特定孔径的聚碳酸酯膜,大粒径或者多室脂质体被膜孔的剪切破裂后迅速重新聚合成更小粒径的脂质体。由于聚碳酸酯膜的孔径固定(如50nm,100nm,200nm,400nm等),且脂质体用聚碳酸酯膜具有孔径垂直于膜表面且分布均匀的属性,多次经过特定孔径的聚碳酸酯膜挤压剪切后,可以获得粒径接近聚碳酸酯膜孔径且分布集中的单室脂质体

2 . 脂质体挤出过程示意图 (黄色为脂质体,灰色为滤膜)

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挤出滤膜

脂质体挤出对滤膜的要求比较高,需要膜孔分布均匀、孔径基本保持一致,且孔径垂直更有利于纳米级脂质体的挤出制备。核打孔的聚碳酸酯膜(图3)可以满足上述要求。需要注意的是一般用于除菌膜孔分布和大小是很不均匀的,孔道是弯弯曲曲的,使用时注意区分。在选择挤出滤膜的孔径时,需先测定挤出前脂质体样品的粒径,并与最终所需达到的目标粒径相结合进行考虑,然后选择合适的滤膜孔径。比如原始样品粒径是400nm,目标粒径是100nm,可以先尝试用200nm挤出。如果挤出困难,换成400nm挤出,之后再依次用200nm100nm80nm挤出。

挤出温度和挤出压力

在不损坏脂质体粒子结构的前提下,可以尽量提高挤出压力,挤出速度快,效果也好。挤出温度需要在磷脂相变温度附近,范围不能过高或过低;并且样品所经过或接触的挤出设备相关部位要实现恒温控制,不能有太大的温度差异。这样的挤出效果才会有保证。另外,挤出工艺除了影响粒度和粒度分布以外,由于需要升温,考虑可能影响活性物质和脂质的稳定性。对于原始粒径比较大的粗脂质体,可以先用高压均质机均质初步减小粒径,再通过脂质体挤出器进行过滤挤出,这样不容易堵塞聚碳酸酯膜,提高挤出效率,又可以获得粒径分布均匀且集中的脂质体。

. 核打孔聚碳酸酯膜示意图

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超滤技术

在得到粒径及粒度分布符合要求的脂质体之后,需进行纯化步骤。纯化可以对脂质体进行浓缩,并把脂质体的外水相置换成满足临床使用的缓冲液或其他溶液。这个过程也进一步除去了外水相可能残留的有机溶剂。常用的超滤设备是平板膜包和中空纤维柱,他们都属于切向流过滤。本文主要从切向流过滤的原理介绍超滤的影响因素。

过滤的方式主要有两种:常规过滤和切向流过滤,示意图见图4。常规过滤(又称死端过滤),原料液在一定推动力下向膜外进行过滤,原料液流动方向垂直于滤膜方向。在过滤过程中,膜上表面不断有颗粒被截留下来,使得过滤阻力增大,过滤速度减小。为了减小过滤阻力需要对滤膜进行反冲洗。此种过滤方式不适用于长期运行的大型过滤设备,工业界应用很少。切向流过滤(又称错流过滤),原料液从一端进入膜包内,部分原料液从膜包另一端流出,原料液流动方向平行于滤膜方向,原料液的流动可以对滤膜表面进行冲扫,减少大颗粒在滤膜表面的积累,提高过滤效率。同时切向流可以循环过滤,可将滤液或截留液作为目标产品收集。

常规过滤和切向流过滤示意图

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切向流过滤前要选择合适的滤膜孔径和材质。一般来说,在相同条件下,孔径越大,过滤通量越高,效率越高。可以选择的膜材质有聚砜、聚醚砜、再生纤维素等,根据原料液的粒径、滤膜吸附情况等选择合适滤膜孔径和材质。
膜材质和孔径

切向流速

切向流速很大程度上取决于所选用的不同膜包和流道的类型。在膜包操作和维护手册中,提供了膜包和不同流道类型推荐的切向流速。总的来说,在跨膜压不变的情况下,提高切向流量可以增加切向流对滤膜表面的“清洗”作用,缓解浓差极化,从而使透过液的流量提高。但是,过高的切向流量也会使产品所受到的剪切力增加,从而可能导影响产品质量。所以需要根据具体的应用来优化实验从而得到流速和产品回收两全的方法。

跨膜压(TMP)

压差是进口端压力与出口端压力的差值,跨膜压(TMP)是指滤膜上下游的平均压力差(TMP = (PF + PR ) / 2-Pp)。通过控制进口端压力和回流压力,可以控制跨膜压和压差。理论来说,纯水过滤的话,跨膜压越高,过滤速度越快,但是实际上,处理料液过程,跨膜压会有一拐点,再提高滤速也不会加快。所以,我们需要在保证流体有冲刷力的前提下,提高跨膜压找到这一合适的点来进行实验,确保效率最高。

跨膜压(TMP)主要参数介绍

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脂质体中试基地

国内在实验室阶段进行脂质体研究的科研院所和初创公司有很多,也有很多已经取得了不错的实验结果,想要继续进行中试放大研究甚至是大生产,但是不具备脂质体中试设备,或者设备购买安装周期很长,占用大量资金和时间。基于科研院所和初创企业资源有限和时间紧迫的问题,北京大学生命科学华东产业研究院联合辅必成及艾伟拓共同打造了“微纳米注射剂中试基地”,旨在给高校、研究所、科研创新企业等提供投资低、效率高的中试转化平台。

微纳米注射剂中试基地致力于高端复杂制剂(脂肪乳、脂质体、LNP)的中试工艺研究和技术培训;配备有实验室研究型及中试生产型复杂制剂设备以及相关分析检测仪器,为药企提供专业研发及中试平台;可满足当前复杂注射剂中的主流剂型,包括脂肪乳、微乳剂、脂质体、LNP等的小试工艺开发、中试工艺优化、非临床样品的制备等。同时提供脂质体制备关键工艺——挤出和超滤的培训课程,助力脂质体研究人员技能提升。

欢迎各位莅临参观、指导和业务洽谈。基地地址:江苏省启东市世纪大道2099号。 

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脂质体中试车间



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参考资料:

郭淑音,一种小型切向流过滤器的设计与验证及切向流过滤器缩小/放大理论

Whatman聚碳酸酯膜在脂质体挤出工艺中的应用

公众号纳米均质那点事——脂质体挤出器简介

【艾分享-06脂质体制备工艺设备篇】脂质体的粒径控制(四):挤出技术

Repligen瑞普利金——用于脂质纳米颗粒(LNP)纯化的切向流过滤技术

颇尔公司——切向流过滤技术的原理和应用



注释:学海无涯,个人学识有限,如果有错误之处,欢迎各位批评指正。