Technológia dutých vlákien: Ako chrániť aktivitu biologických výrobkov s nízkou šmykovou silou?

Duté vlákno (HF) je vláknitý materiál s dutou štruktúrou dutiny, ktorý obsahuje vnútorný dutý kanál a vonkajšiu stenu vyrobenú z pórovitých alebo hustých polymérnych membrán. Táto jedinečná štruktúra poskytuje vysoko špecifickú plochu povrchu, vynikajúci výkon prenosu hmoty a mechanickú pevnosť. Poháňané tangenciálnym tlakom, dutými vláknami odfiltrujú častice, baktérie alebo zachytávajú cieľové látky so selektívnou priepustnosťou, vďaka čomu sú široko použiteľné v biomedicíne, bioinžinierstve a ochrane životného prostredia.

 

Výhody produktu

● Otvorené prietokové kanály s vysokou kapacitou držania nečistôt

● Jednotné membrány s komplexnými možnosťami veľkosti pórov

● Flexibilný modulárny dizajn pre lineárnu škálovateľnosť

● Nízka šmyková sila, najmä vhodná pre citlivé produkty na báze proteínov a vírusové spracovanie

Šmyková sila v systémoch s dutím vláknami významne ovplyvňuje produkciu, čistenie a stabilitu biologických produktov, najmä v biofarmaceutikách (napr. Monoklonálne protilátky, vakcíny, rekombinantné proteíny) a bunková terapia. Primeraná šmyková sila zvyšuje prenos a miešanie hmoty, ale nadmerná šmyková sila môže viesť k inaktivácii, agregácii alebo poškodeniu buniek. Šmyková sila je primárne ovplyvnená tromi kategóriami faktorov: hydrodynamické parametre, štrukturálne parametre vlákien a prevádzkové podmienky. Prietok (q) je priamo úmerný šmykovej sile, zatiaľ čo zvýšená viskozita tekutín (μ) významne zvyšuje hladiny šmykovej sily. Vnútorný priemer (DI) je najdôležitejším štrukturálnym parametrom, pretože nepriamo koreluje so zmenami šmykovej sily kocky-minor v DI môže drasticky zmeniť šmykovú silu.

 

(1) hydrodynamické parametre

Faktor	Dopad
Prietok (Q)	Vyššie prietoky zvyšujú šmykové napätie steny
Viskozita (μ)	Kvapaliny s vysokou viskozitou (napr
Režim	Laminárny prietok (nízky strih) oproti turbulentnému prietoku (vysoký strih, riziko poškodenia buniek alebo denaturácia proteínov)

 

(2) štrukturálne parametre dutých vlákien

Faktor	Dopad
Vnútorný priemer (DI)	Menšia DI zvyšuje rýchlosť a šmykové napätie pri rovnakom prietoku
Dĺžka (l)	Zvýšená dĺžka zvyšuje pokles tlaku, ktorý nepriamo ovplyvňuje rozdelenie šmykového napätia
Hustota vlákna	Husté balenie zvyšuje odolnosť medzi prietokom medzi vláknami, potenciálne zvyšuje lokálne šmykové napätie

 

(2) Prevádzkové podmienky

Faktor	Dopad
Transmembránový tlak (TMP	Rozdiely s vysokým tlakom môžu zvýšiť šmykové napätie v membráne, čo spôsobí znečistenie alebo deformáciu
Pulzujúci prietok	Pravidelný tok znižuje znečistenie, ale môže zaviesť špičky prechodného šmykového napätia

 

Vzorce na výpočet šmykovej sily v dutých vláknach

(1) Strihové napätie na stene (τw)

Použiteľné pre laminárny tok (nízke číslo Reynoldsovho čísla RE <2100) v rovných vláknitých skúmavkách:

τw: Strihové napätie na stene (PA alebo DYN/CM²)

μ: Viskozita tekutín (PA · S)

Otázka: Objemový prietok (m³/s)

DI: Vnútorný priemer (M)

 

(2) Reynoldsovo číslo (RE) pre stanovenie toku režimu

ρ: Hustota tekutiny (kg/m³)

V: Rýchlosť toku (m/s)

DI: Vnútorný priemer (M)

Laminárny tok: RE <2100 (predvídateľné šmykové napätie)

Turbulentný tok: RE> 4000 (komplexné šmykové napätie, vyžadujúce simuláciu CFD)

 

(3) Vzťah medzi poklesom tlaku (Δp) a šmykové napätie

Hagen-Poiseuille rovnica (laminárny tok):

Vysoký tlakový pokles môže nepriamo zvýšiť šmykové napätie, najmä v dlhých vláknach alebo systémoch s malým DI.

 

Priame účinky šmykovej sily na biologické výrobky

Aplikácia	Riziko šmykovej sily	Typická prahová hodnota tolerancie
výroba mAb	Agregácia (stredne vysoká citlivosť)	＜1000s-1(ultrafiltrácia)
CHO COL CULL	Poškodenie buniek Cho (vysoká citlivosť)	＜ 50-100 dyn/cm²
Čistenie AAV (UF)	Ruptúra ​​vírusových častíc (vysoká citlivosť)	＜500s-1
Hemodialýza	Hemolýza (mimoriadne vysoká citlivosť)	＜1500s-1
Izolácia exozómu	Ruptúra ​​vezikúl (vysoká citlivosť)	＜1500s-1
Tradičný adjuvant	Zlomenie častíc, kolaps pórov (vysoká citlivosť	＜1000s-1(Prah s nízkym rizikom) 1000-3000s-1(stredne riziková prahová hodnota) ＞3000s-1(vysokoriziková prahová hodnota)

 

(1) denaturácia alebo agregácia proteínu/protilátky

Mechanizmus:

Vysoké šmykové sily (napr. Turbulencie, kavitácia) môžu vyvolať konformačné zmeny v proteínoch, vystavovať hydrofóbne oblasti a spúšťajú agregáciu. Počas filtrácie, ultrafiltrácie alebo perfúznej kultúry môžu šmykové sily narušiť natívne proteínové štruktúry.

Prípad:

Monoklonálne protilátky (MAB) sú náchylné na agregáciu počas vysokorýchlostného čerpania alebo membránovej filtrácie, čo je ohrozenie účinnosti a bezpečnosti.

 

(2) poškodenie buniek (cicavčí/mikrobiálne bunky)

Mechanizmus:

Cicavčie bunky (napr. CHO bunky) sú citlivé na šmyky; Vysoké šmykové sily môžu spôsobiť prasknutie membrány, apoptózu alebo metabolickú dysfunkciu. Mikróby (napr. E. coli) sa môžu vydávať pod vysokým strihom a uvoľňujú endotoxíny.

Kritické prahové hodnoty:

Bunky cicavcov: zvyčajne tolerujú<50–100 dyn/cm² (perfusion culture).

Red blood cells: >1500 s⁻⁻ môže indukovať hemolýzu (napr. Hemodialýza).

 

(3) narušenie vírusov/exozómov (nanočastice)

Mechanizmus:

Vírusové vektory (napr., AAV, lentivírus) alebo exozómy sa môžu prasknúť pri šmykovom napätí, čím sa znižuje infekčnosť alebo terapeutická účinnosť.

Prípad:

Pri génovej terapii si vírusové vektory vyžadujú kontrolu šmykovej sily počas čistenia dutých vlákien, aby sa predišlo strate titeru.

 

(4) Membránové znečistenie a strata produktu

Mechanizmus:

Vysoké šmykové sily môžu spôsobiť ukladanie zvyškov buniek alebo proteínov na membránach, blokovať póry a znižovať účinnosť prenosu hmoty. Adsorpcia indukovaná šmykom (napr. Nešpecifická väzba protilátky) môže znížiť regeneráciu produktu.

 

Stratégie optimalizácie: zmiernenie nárazu šmykovej sily

(1) Optimalizácia návrhu systému

Znížte prietok: Použite čerpadlá s nízkym šikmým (napr. Peristaltické čerpadlá) alebo optimalizujte návrh prietokovej dráhy (napr. Zúčastnené kanály).

Výber vlákien: Zvýšte DI, aby sa znížilo šmykové napätie steny (rovnováha s účinnosťou prenosu hmoty).

Na minimalizáciu adsorpcie proteínov použite povrchovo modifikované membrány (napr. Hydrofilné povlaky).

(2) Ovládanie parametrov procesu

Perfúzna kultúra: Rýchlosť riadenia perfúzie (napr. 1–3 RV/deň), aby sa zabránilo poškodeniu buniek.

Implementujte technológiu striedavého tangenciálneho toku (ATF) na zníženie trvalého vysokého strihu.

Fázy čistenia: Použite nízku TMP (<1 bar) and low flow rates during ultrafiltration/dialysis.

(3) Aditívna ochrana

Stabilizátory: Pridajte cukry (napr. Trehalose) alebo povrchovo aktívne látky (napr. Pluronic F68) na zníženie agregácie bielkovín.

Bunkové ochranky: Na zníženie citlivosti na šmyku používajte sérum alebo polyméry (napr. Polyvinylalkohol).

(4) Monitorovanie a modelovanie v reálnom čase

Monitorovanie senzora: Detekcia šmykového napätia v reálnom čase (napr. Senzory strihu steny).

Simulácia CFD: Predpovedajte vysoké zóny a optimalizujte prietokové polia prostredníctvom výpočtovej dynamiky tekutín.

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% na čistenie AAV). Stručne povedané, technológia dutých vlákien s nízkym strihom, vysokou ovládateľnosťou a škálovateľnosťou je ideálnou voľbou pre následné bioprocessing, najmä pre produkty citlivé na vysokú hodnotu, strih.

 

O vedení

Guidling Technology je podnikanie zameraný na výrobu a high-tech podnikom so zameraním na objasnenie, separáciu a čistenie biofarmaceutík. Produkty sa široko používajú v procese filtrácie mAb, vakcíny, diagnostiky, krvných produktov, séra, endotoxínu a ďalších biologických produktov; Guidling Technology má „kastlové filtrujúce filtrácie toku“, „Membránu z dutých vlákien“, „vírusový filter“, „hlbokú membránu“, „sterilizačný filter“, „centrifugálne filtračné zariadenia“ a ďalšie produkty a má veľký počet produktových radov, od malých disponibilných laboratórnych filtrácií do výrobného filtrácie, spĺňa potreby testovania a produkcie. Guidling Technology sa teší na spoluprácu s vami!