中空纤维（Hollow Fiber）是一种具有空腔结构的纤维材料，其内部为空心通道，外壁为多孔或致密的高分子膜。这种独特结构赋予其高比表面积、优异的传质性能和机械强度。中空纤维以切向压力为推动力，过滤掉微粒、细菌或者拦截目标物，具有选择透过性，在生物医学、生物工程和环保等领域有广泛应用。 产品优势 ●开放式流道，容尘量高 ●膜均一性好，各种孔径齐全 ●灵活模块化，便于线性放大 ●剪切力小，尤为适合敏感的蛋白类产品以及病毒类处理 中空纤维系统中的剪切力对生物制品的生产、纯化和稳定性具有重要影响，尤其是在生物制药（如单克隆抗体、疫苗、重组蛋白）和细胞治疗等领域。适当的剪切力可以促进传质和混合，但过高的剪切力可能导致生物制品失活、聚集或细胞损伤。 中空纤维的核心特点在于其开放的流道结构。与内部结构复杂的平板膜包不同，它没有类似平板膜包中筛网对流体力学的复杂影响，剪切力主要取决于流速与纤维半径。这一特性使得我们可以通过调节这两个参数来有效控制剪切力范围，不仅为处理剪切力敏感型样品提供了温和环境，也便于评估样品本身的剪切力耐受性。 中空纤维剪切力（剪切速率）计算公式 γ=4Q/nπr³ γ-剪切速率（s−1） Q-切向流速 n-纤维管数量 r-纤维管内径 该公式表明，剪切速率与切向流速成正比，与纤维管数量和纤维管内径的立方成反比。在实际应用中，可通过调整流速、纤维管规格等参数来控制剪切力，以满足不同工艺需求。 剪切力对生物制品的直接影响 (1)蛋白质/抗体变性或聚集 机制： 高剪切力（如湍流、空化作用）可能导致蛋白质构象变化，暴露出疏水区域，引发聚集。 在过滤、超滤或灌流培养过程中，剪切力可能破坏蛋白质的天然结构。 案例： 单克隆抗体（mAb）在高速泵送或膜过滤时易形成聚集体，影响药效和安全性。 (2)细胞损伤（哺乳动物细胞、微生物细胞） 机制： 哺乳动物细胞（如CHO细胞）对剪切敏感，高剪切力可导致细胞膜破裂、凋亡或代谢异常。 微生物（如大肠杆菌）在高剪切环境中可能发生裂解，释放内毒素。 关键阈值： 哺乳动物细胞：通常耐受<50–100dyn/cm²（灌流培养）。 红细胞：>1500s-1可能导致溶血（如血液透析）。 (3)病毒/外泌体等纳米颗粒的破坏 机制： 病毒载体（如AAV、慢病毒）或外泌体在剪切力作用下可能破裂，降低感染效率或治疗效果。 案例： 基因治疗中，病毒载体通过中空纤维系统纯化时需控制剪切力以避免滴度损失。 (4)膜污染与产物损失 机制： 高剪切力可能导致细胞碎片或蛋白质在膜表面沉积，堵塞膜孔，降低传质效率。 剪切力诱导的吸附（如抗体在膜表面的非特异性结合）可能降低产物回收率。 优化策略：降低剪切力负面影响 (1)系统设计优化 降低流速：采用低剪切泵（如蠕动泵）或优化流道设计（如渐扩管道）。 纤维选择：增大纤维内径以减少壁面剪切力（但需权衡传质效率）。 使用表面改性膜（如亲水涂层）减少蛋白质吸附。 (2)工艺参数控制 灌流培养：控制灌流速率（如1–3RV/day）以避免细胞损伤。 采用交替切向流（ATF）技术，减少恒定高剪切力。 纯化阶段：超滤/透析时采用低TMP（<1bar）和低流速。 (3)添加剂保护 稳定剂：添加糖类（如海藻糖）、表面活性剂（如Pluronic F68）减少蛋白质聚集。 细胞保护剂：血清或聚合物（如聚乙烯醇）降低剪切敏感性。 (4)在线监测与建模 传感器监测：实时检测剪切力（如壁面剪切应力传感器）。 CFD模拟：通过计算流体动力学（CFD）预测高剪切区域并优化流场。 中空纤维在生物制品应用中凭借其低剪切设计展现出显著优势，尤其适合处理剪切力敏感的物质（如蛋白质、病毒载体和细胞）。其切向流过滤（TFF）通过平行流动降低跨膜压力（TMP），减少流体剪切力，从而避免产物变性或损伤。模块化设计支持线性放大，确保从实验室到生产规模的剪切力参数一致，维持产物活性稳定。此外，亲水化膜材料（如PES、PVDF）和低剪切泵（如隔膜泵）的协同使用进一步减少摩擦和吸附，提高回收率（如AAV纯化回收率>90%）。综上所述，中空纤维以低剪切、高可控性和可扩展性成为生物制品下游处理的理想选择，特别适用于高价值、高敏感性产品的生产。 关于九龄 九龄科技是一家专注于生物制药下游澄清、分离、纯化的生产型国家高新技术企业；产品广泛用于单抗、疫苗、诊断、血液制品、血清、内毒素等生物制品的过滤过程；九龄科技有“平板膜包与切向流过滤装置”、“中空纤维柱”、“除病毒过滤器”、“深层膜堆”、“除菌过滤器”、“超滤离心管”等产品，并拥有众多产品生产线，从小型一次性实验室过滤到生产型过滤系统，完全满足试验与生产的各项需求。九龄科技期待与您的合作！