中空繊維技術：低せん断力で生物学的産物の活性を保護する方法は？

中空繊維（HF）は、内部中空チャネルと多孔質または濃いポリマー膜で作られた外壁を特徴とする中空空洞構造を備えた繊維状材料です。このユニークな構造は、高い特定の表面積、優れた物質移動性能、および機械的強度を提供します。接線圧力によって駆動される中空の繊維は、粒子、細菌、または選択的透過性を備えた標的物質を遮断するため、生物医学、バイオエンジニアリング、環境保護に広く適用可能になります。

 

製品の利点

●汚れが高い容量が高いオープンフローチャネル

●包括的なポアサイズオプションを備えた均一な膜

●線形スケーラビリティのための柔軟なモジュラー設計

●敏感なタンパク質ベースの製品やウイルス処理に特に適した低せん断力

中空繊維システムのせん断力は、特にバイオ医薬品（例えば、モノクローナル抗体、ワクチン、組換えタンパク質）および細胞療法において、生物学的産物の産生、精製、安定性に大きく影響します。適切なせん断力は物質移動と混合を促進しますが、過度のせん断力は不活性化、凝集、または細胞損傷につながる可能性があります。せん断力は、主に、流体力学的パラメーター、繊維構造パラメーター、および動作条件の3つのカテゴリの要因の影響を受けます。流量（Q）はせん断力に直接比例しますが、液体粘度の増加（μ）はせん断力レベルを大幅に上昇させます。繊維の内径（DI）は、DIのせん断力の変化と逆相関するため、最も重要な構造パラメーターです。

 

（1）流体力学的パラメーター

要素	インパクト
流量（Q）	流量が高いほど、壁のせん断応力が増加します
粘度（μ）	高粘度液（例えば、濃縮細胞培養培地）は、同じ流量でより高いせん断応力を示します
フローモード	層流（低せん断）対乱流（高せん断、細胞損傷のリスクまたはタンパク質変性のリスク）

 

（2）中空の繊維構造パラメーター

要素	インパクト
内径（di）	DIが小さくなり、同じ流量で速度とせん断応力が増加します
長さ（l）	長さの増加は圧力降下を上昇させ、せん断応力分布に間接的に影響を及ぼします
ファイバーパッキング密度	密な梱包は繊維間の流れ抵抗を増加させ、局所せん断応力を上げる可能性があります

 

（2）動作条件

要素	インパクト
膜貫通圧（TMP	高圧の違いは、膜表面せん断応力を増加させ、ファウリングや変形を引き起こす可能性があります
脈拍の流れ	周期的なフローはファウリングを減らしますが、一時的なせん断応力のピークを導入する可能性があります

 

中空繊維のせん断力を計算するための式

（1）壁のせん断応力（τw)

ストレートファイバーチューブの層流（低レイノルズ数Re <2100）に適用：

τw：壁のせん断応力（PAまたはDYN\/CM²）

μ：液体粘度（PA・s）

Q：体積流量（m³\/s）

DI：繊維の内径（m）

 

（2）フローレジームの決定のためのレイノルズ数（再）

ρ：流体密度（kg\/m³）

V：フロー速度（m\/s）

DI：繊維の内径（m）

層流：Re <2100（予測可能なせん断応力）

乱流：Re> 4000（CFDシミュレーションが必要な複雑なせん断応力）

 

（3）圧力降下の関係（Δp）およびせん断応力

Hagen-PoiseUille方程式（層流）：

高圧低下は、特に長い繊維または小さなDIを持つシステムで、間接的にせん断応力を増加させる可能性があります。

 

生物学的産物に対するせん断力の直接的な影響

応用	せん断力のリスク	典型的な許容範囲のしきい値
MAB生産	集約（中程度の感度）	＜1000s-1（限外ろ過）
Cho Cell Culture	CHO細胞の損傷（高感度）	＜50-100 dyn\/cm²
AAV浄化（UF）	ウイルス粒子破裂（高感度）	＜500s-1
血液透析	溶血（非常に高い感度）	＜1500s-1
エキソソーム分離	小胞破裂（高感度）	＜1500s-1
伝統的なミョウバンアジュバント	粒子の破損、細孔崩壊（高感度	＜1000s-1（低リスクのしきい値） 1000-3000s-1（中リスクのしきい値） ＞3000s-1（ハイリスクのしきい値）

 

（1）タンパク質\/抗体の変性または凝集

機構：

高せん断力（例えば、乱流、キャビテーション）は、タンパク質の立体構造の変化を誘発し、疎水性領域を露出させ、凝集を引き起こす可能性があります。ろ過、限外ろ過、または灌流培養中、せん断力は天然のタンパク質構造を破壊する可能性があります。

場合：

モノクローナル抗体（mAb）は、高速ポンプまたは膜ろ過中に凝集を起こしやすく、有効性と安全性が損なわれます。

 

（2）細胞損傷（哺乳類\/微生物細胞）

機構：

哺乳類細胞（例えば、CHO細胞）はせん断敏感です。高せん断力は、膜破裂、アポトーシス、または代謝機能障害を引き起こす可能性があります。微生物（例えば、大腸菌）は、高せん断下で溶解し、エンドトキシンを放出する可能性があります。

クリティカルなしきい値：

哺乳類細胞：通常、耐えます<50–100 dyn/cm² (perfusion culture).

Red blood cells: >1500s⁻¹は溶血を誘発する可能性があります（例えば、血液透析）。

 

（3）ウイルス\/エキソソームの破壊（ナノ粒子）

機構：

ウイルスベクター（例えば、AAV、レンチウイルス）またはエキソソームは、せん断応力下で破裂し、感染性または治療効果を低下させる可能性があります。

場合：

遺伝子治療では、ウイルスベクターは、力価の喪失を避けるために中空繊維精製中にせん断力制御を必要とします。

 

（4）膜のファウリングと製品の損失

機構：

高せん断力は、細胞の破片または膜にタンパク質沈着を引き起こし、毛穴を遮断し、物質移動効率を低下させる可能性があります。せん断誘発吸着（例えば、非特異的抗体結合）は、生成物の回復を減らす可能性があります。

 

最適化戦略：せん断力の衝撃の緩和

（1）システム設計最適化

流量を下げる：低せん断ポンプ（例えば、per動ポンプなど）を使用するか、フローパス設計（テーパーチャネルなど）を最適化します。

繊維の選択：DIを増やして、壁のせん断応力を軽減します（バランスと物質移動効率）。

表面修飾膜（例えば、親水性コーティング）を使用して、タンパク質の吸着を最小限に抑えます。

（2）プロセスパラメーター制御

灌流培養：細胞の損傷を避けるための灌流速度（例：1〜3 rv\/日）を制御します。

持続的な高せん断を減らすために、交互の接線流（ATF）テクノロジーを実装します。

精製段階：低いTMPを使用します（<1 bar) and low flow rates during ultrafiltration/dialysis.

（3）加法保護

安定剤：タンパク質の凝集を減らすために、糖（例、トレハロース）または界面活性剤（例えばプルロニックF68）を追加します。

細胞保護剤：血清またはポリマー（ポリビニルアルコールなど）を使用して、せん断感度を低下させます。

（4）リアルタイムの監視とモデリング

センサーモニタリング：せん断応力のリアルタイム検出（壁せん断応力センサーなど）。

CFDシミュレーション：計算流体のダイナミクスを介して高せん断ゾーンを予測し、フローフィールドを最適化します。

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., >AAV精製の90％）。要約すると、その低いせん断、高い制御性、およびスケーラビリティを備えた中空繊維技術は、特に高価値のせん断敏感な製品には、下流のバイオプロセシングに理想的な選択肢です。

 

ガイドリングについて

Guidling Technologyは、バイオ医薬品の下流の明確化、分離、浄化に焦点を当てた生産指向のハイテク企業です。製品は、mAb、ワクチン、診断、血液産物、血清、エンドトキシン、その他の生物学的産物のろ過プロセスで広く使用されています。 Guidling Technologyには、「カセットフィルターと接線の流れろ過装置」、「中空繊維膜」、「ウイルスフィルター」、「深部膜」、「滅菌フィルターデバイス」、「遠心膜デバイス」、およびその他の製品があり、少量の生産ろ過から生産施設への生産施設まで、多数の製品ラインがあります。 Guidling Technologyはあなたと協力することを楽しみにしています！