تقنية الألياف المجوفة: كيفية حماية نشاط المنتجات البيولوجية بقوة القص المنخفضة؟

الألياف المجوفة (HF) هي مادة ليفية ذات بنية تجويف مجوفة ، تتميز بقناة جوفاء داخلية وجدار خارجي مصنوع من أغشية بوليمر مسامية أو كثيفة. يوفر هذا الهيكل الفريد مساحة سطحية عالية محددة ، وأداء ممتازة نقل الكتلة ، والقوة الميكانيكية. مدفوعًا بالضغط العرضي ، تقوم الألياف المجوفة بتصفية الجزيئات أو البكتيريا أو اعتراض المواد المستهدفة ذات النفاذية الانتقائية ، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع في الطب الحيوي ، والهندسة الحيوية ، وحماية البيئة.

 

مزايا المنتج

● قنوات التدفق المفتوحة ذات السعة العالية الأوساخ

● أغشية موحدة مع خيارات شاملة لحجم المسام

● تصميم معياري مرن للتوسع الخطي

● قوة القص المنخفضة ، وخاصة مناسبة للمنتجات القائمة على البروتين الحساسة والمعالجة الفيروسية

تؤثر قوة القص في أنظمة الألياف المجوفة بشكل كبير على إنتاج وتنقية واستقرار المنتجات البيولوجية ، وخاصة في المستحضرات الصيدلانية الحيوية (على سبيل المثال ، الأجسام المضادة وحيدة النسيلة ، اللقاحات ، البروتينات المؤتلف) والعلاج الخلوي. تعمل قوة القص المناسبة على تعزيز النقل الشامل والخلط ، ولكن قد تؤدي قوة القص المفرطة إلى تعطيل أو تجميع أو تلف الخلايا. تتأثر قوة القص في المقام الأول بثلاث فئات من العوامل: المعلمات الهيدروديناميكية ، والمعلمات الهيكلية الأليفية ، وظروف التشغيل. معدل التدفق (Q) يتناسب بشكل مباشر مع قوة القص ، في حين أن زيادة لزوجة السوائل (μ) ترفع بشكل كبير مستويات قوة القص. قطر الألياف الداخلي (DI) هو المعلمة الهيكلية الأكثر أهمية ، حيث ترتبط عكسيا مع تغييرات قوة القص في DI يمكن أن تغير قوة القص بشكل كبير.

 

(1) المعلمات الهيدروديناميكية

عامل	تأثير
معدل التدفق (س)	ارتفاع معدلات التدفق تزيد من إجهاد قص الجدار
اللزوجة (μ)	تظهر السوائل عالية اللزوجة (مثل وسائط ثقافة الخلية المركزة) إجهاد القص أعلى في نفس معدل التدفق
وضع التدفق	تدفق الصفحي (القص المنخفض) مقابل التدفق المضطرب (القص العالي ، خطر تلف الخلايا أو تمسخ البروتين)

 

(2) المعلمات الهيكلية الألياف المجوفة

عامل	تأثير
القطر الداخلي (DI)	يزيد DI الأصغر من السرعة وضغط القص في نفس معدل التدفق
الطول (ل)	زيادة الطول يرفع انخفاض الضغط ، مما يؤثر بشكل غير مباشر على توزيع إجهاد القص
الكثافة التعبئة الألياف	التغليف الكثيف يزيد من مقاومة تدفق الألياف ، مما يحتمل أن يرفع إجهاد القص المحلي

 

(2) شروط التشغيل

عامل	تأثير
ضغط الغشاء (TMP	قد تزيد الاختلافات ذات الضغط العالي من إجهاد قص سطح الغشاء ، مما يسبب القاذورات أو التشوه
تدفق النبض	التدفق الدوري يقلل من القاذورات ولكنه قد يقدم قمم إجهاد القص العابر

 

صيغ لحساب قوة القص في الألياف المجوفة

(1) إجهاد قص الجدار (τw)

ينطبق على تدفق الصفحي (رقم رينولدز المنخفض RE <2100) في أنابيب الألياف المستقيمة:

τw: إجهاد قص الحائط (PA أو DYN/CM²)

μ: لزوجة السوائل (PA · S)

س: معدل التدفق الحجمي (M³/S)

DI: قطر الألياف الداخلية (M)

 

(2) رقم رينولدز (إعادة) لتحديد نظام التدفق

ρ: كثافة السوائل (كجم/متر مكعب)

الخامس: سرعة التدفق (م/ث)

DI: قطر الألياف الداخلية (M)

تدفق الصفحي: Re <2100 (إجهاد القص الذي يمكن التنبؤ به)

التدفق المضطرب: RE> 4000 (إجهاد القص المعقد ، يتطلب محاكاة CFD)

 

(3) العلاقة بين انخفاض الضغط (ΔP) وإجهاد القص

معادلة Hagen-Poiseuille (تدفق الصفحي):

قد يزيد انخفاض الضغط العالي بشكل غير مباشر من إجهاد القص ، خاصة في الألياف الطويلة أو الأنظمة ذات DI الصغيرة.

 

الآثار المباشرة لقوة القص على المنتجات البيولوجية

طلب	مخاطر قوة القص	عتبة التسامح النموذجية
إنتاج MAB	التجميع (حساسية متوسطة عالية)	＜1000s-1(الترشيح الفائق)
ثقافة خلية تشو	أضرار خلايا تشو (حساسية عالية)	＜ 50-100 dyn/cm²
تنقية AAV (UF)	تمزق الجسيمات الفيروسية (حساسية عالية)	＜500s-1
غسيل الكلى	انحلال الدم (حساسية عالية للغاية)	＜1500s-1
العزلة exosome	تمزق الحويصلة (حساسية عالية)	＜1500s-1
الشب التقليدي المساعد	كسر الجسيمات ، انهيار المسام (حساسية عالية	＜1000s-1(عتبة منخفضة المخاطر) 1000-3000s-1(عتبة متوسطة الخطورة) ＞3000s-1(عتبة عالية الخطورة)

 

(1) تمويل أو تجميع البروتين/الأجسام المضادة

الآلية:

قد تؤدي قوى القص العالية (على سبيل المثال ، الاضطراب ، التجويف) إلى حدوث تغييرات متوافقة في البروتينات ، وفضح المناطق مسعورًا وتجميعًا. أثناء الترشيح أو الترشيح الفائق أو ثقافة التروية ، يمكن أن تعطل قوى القص هياكل البروتين الأصلي.

قضية:

الأجسام المضادة وحيدة النسيلة (MAB) عرضة للتجميع أثناء الضخ عالي السرعة أو ترشيح الغشاء ، وتسوية الفعالية والسلامة.

 

(2) تلف الخلايا (الخلايا الثديية/الميكروبية)

الآلية:

خلايا الثدييات (على سبيل المثال ، خلايا CHO) حساسة القص ؛ قد تسبب قوى القص العالية تمزق الغشاء ، موت الخلايا المبرمج ، أو خلل التمثيل الغذائي. الميكروبات (على سبيل المثال ، E. coli) قد lyse تحت القص العالي ، إطلاق السموم الداخلية.

العتبات الحرجة:

خلايا الثدييات: تتسامح عادة<50–100 dyn/cm² (perfusion culture).

Red blood cells: >1500 S⁻⁻ قد يحفز انحلال الدم (على سبيل المثال ، غسيل الكلى).

 

(3) تعطيل الفيروسات/exosomes (الجسيمات النانوية)

الآلية:

يمكن أن تمزق المتجهات الفيروسية (على سبيل المثال ، AAV ، Lentivirus) أو exosomes تحت إجهاد القص ، مما يقلل من العدوى أو الفعالية العلاجية.

قضية:

في العلاج الجيني ، تتطلب المتجهات الفيروسية التحكم في قوة القص أثناء تنقية الألياف المجوفة لتجنب فقدان العيار.

 

(4) تلوث الغشاء وفقدان المنتج

الآلية:

قد تتسبب قوى القص العالية في حطام الخلايا أو ترسب البروتين على الأغشية ، وحظر المسام وتقليل كفاءة نقل الكتلة. قد يقلل الامتزاز الناجم عن القص (على سبيل المثال ، ربط الأجسام المضادة غير المحددة) من استرداد المنتج.

 

استراتيجيات التحسين: تخفيف تأثير قوة القص

(1) تحسين تصميم النظام

تقليل معدل التدفق: استخدم المضخات منخفضة القص (على سبيل المثال ، المضخات التمعجية) أو تحسين تصميم مسار التدفق (على سبيل المثال ، القنوات المدببة).

اختيار الألياف: زيادة DI لتقليل إجهاد قص الجدار (التوازن مع كفاءة نقل الكتلة).

استخدم الأغشية المعدلة السطحية (على سبيل المثال ، الطلاءات المحبة للماء) لتقليل امتصاص البروتين.

(2) التحكم في المعلمة

ثقافة نضح: معدل إرواء التحكم (على سبيل المثال ، 1–3 RV/Day) لتجنب تلف الخلايا.

تنفيذ تقنية التدفق العرضي المتناوب (ATF) لتقليل القص العالي المستمر.

مراحل التنقية: استخدم TMP منخفض (<1 bar) and low flow rates during ultrafiltration/dialysis.

(3) الحماية المضافة

مثبتات: إضافة السكريات (على سبيل المثال ، trehalose) أو السطحي (على سبيل المثال ، pluronic F68) لتقليل تجميع البروتين.

حماية الخلايا: استخدام المصل أو البوليمرات (على سبيل المثال ، الكحول البولي فينيل) لخفض حساسية القص.

(4) المراقبة والنمذجة في الوقت الفعلي

مراقبة المستشعر: الكشف في الوقت الفعلي لإجهاد القص (على سبيل المثال ، مستشعرات إجهاد القص).

محاكاة CFD: التنبؤ بمناطق عالية من القص وتحسين حقول التدفق عبر ديناميات السائل الحسابي.

Hollow fiber technology demonstrates significant advantages in biological product applications due to its low-shear design, making it ideal for shear-sensitive substances (e.g., proteins, viral vectors, cells). Its tangential flow filtration (TFF) reduces transmembrane pressure (TMP) via parallel flow, minimizing fluid shear stress to prevent product denaturation or damage. The laminar flow characteristics of fiber lumens and optimized flow rates enable efficient mass transfer while maintaining gentle operation, widely applied in mAb concentration, vaccine purification, and other precision processes. Modular designs support linear scalability, ensuring consistent shear force parameters from lab to production scale, thereby preserving product activity. Furthermore, hydrophilic membrane materials (e.g., PES, PVDF) and low-shear pumps (e.g., diaphragm pumps) synergistically reduce friction and adsorption, improving recovery rates (e.g., >90 ٪ لتنقية AAV). باختصار ، تعد تقنية الألياف المجوفة ، مع انخفاض قصها ، قابلية التحكم العالية ، وقابلية التوسع ، اختيارًا مثاليًا للمعالجة الحيوية للمصابة ، وخاصة بالنسبة للمنتجات ذات القيمة العالية.

 

حول Guidling

تقنية Guidling هي مؤسسة موجهة نحو الإنتاج وعالي التقنية تركز على التوضيح والفصل وتنقية المستحضرات الصيدلانية الحيوية. تستخدم المنتجات على نطاق واسع في عملية ترشيح MAB واللقاح والتشخيص ومنتجات الدم والمصل والسموم الداخلية وغيرها من المنتجات البيولوجية ؛ تحتوي تقنية Guidling على "مرشح الكاسيت وجهاز ترشيح التدفق العرضي" ، "غشاء الألياف المجوفة" ، "مرشح الفيروس" ، "الغشاء العميق" ، "مرشح التعقيد" ، "أجهزة مرشح الطرد المركزي" ، وتلبية احتياجات الاختبار والإنتاج. تتطلع تقنية Guidling إلى التعاون معك!