羧甲基纖維素鈉 (CMC) 廣泛用作口服、局部和腸胃外藥物制劑中的賦形劑。它增加粘度,用作懸浮助劑,并穩(wěn)定乳液。最近,已經(jīng)評估了 CMC 在有助于改善細(xì)胞毒性藥物和生物制劑遞送的配方中的應(yīng)用。

CMC 生產(chǎn)的粘度范圍很廣,通常分為低、中或高粘度等級。CMC 等級可以根據(jù)其取代度 (DS) 進(jìn)一步劃分,其定義為每個(gè)脫水葡萄糖單元取代的羥基的平均數(shù)量(圖 1)。DS 和羧甲基取代基團(tuán)簇的程度共同決定了 CMC 的功能特性(例如,其水溶性)。因此,CMC 在 DS 0.6 以上提供了良好的水溶性;在較低的 DS(例如,0.2)下,CMC 保留了其起始材料的纖維特性并且不溶于水。

圖 1:理想化的羧甲基纖維素鈉 (CMC) 可能的單元結(jié)構(gòu),DS 為 1.0;如果脫水葡萄糖單元上的所有三個(gè)羥基都被取代,則 DS 將為 3.0。3.0 的 DS 是 CMC 的理論最大值。

在注射劑的制造過程中,對伽馬輻射或熱不穩(wěn)定的成品和前體工藝流體都通過過濾保護(hù)免受微生物污染。無菌濾液通?？梢允褂?0.2-μm 等級的除菌級過濾器來實(shí)現(xiàn),該過濾器已經(jīng)過制造商的通用驗(yàn)證,并得到用戶特定工藝驗(yàn)證的進(jìn)一步支持。

根據(jù)它們的物理化學(xué)特性,工藝流體顯示出不同的過濾性(過濾行為就吞吐量而言,作為流速和過濾膜堵塞能力的一個(gè)因素)。CMC等增粘劑會限制過濾速度并導(dǎo)致過濾器過早堵塞,影響過濾器使用的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。在某些情況下,與過濾含 CMC 的溶液相關(guān)的過濾器過早堵塞和處理時(shí)間增加導(dǎo)致對使用除菌級過濾器的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的擔(dān)憂。

由于這些挑戰(zhàn),需要有機(jī)會優(yōu)化基于 CMC 的解決方案的過濾。在這里,我們報(bào)告了頗爾公司和亞什蘭特種成分之間的合作,以調(diào)查可能影響 CMC 過濾性的一些因素。最終,我們尋求提供有用的數(shù)據(jù),以幫助從事基于 CMC 的解決方案過濾的公司做出明智的過濾器和 CMC 等級選擇。

表 1:本研究中測試的 CMC 類型

材料和方法表 1 和 2 總結(jié)了本研究中使用的材料。所有類型的 CMC 均來自亞什蘭特種原料 (Wilmington, DE)。來自頗爾公司(瑞士巴塞爾)的過濾器按原樣進(jìn)行測試。圖 2 顯示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

表 2:本研究中測試的過濾器(按相同規(guī)格制造的非對稱層)

羧甲基纖維素鈉溶液的制備: CMC 粉末在第一次加入水中時(shí)往往會結(jié)塊(結(jié)塊)。為了獲得良好的溶解,我們將 CMC 添加到劇烈攪拌的水中,以制備基于 CMC 干質(zhì)量 (w/w) 的測試溶液。添加速度足夠慢以致顆粒分離并且它們的表面變得單獨(dú)潤濕,但它足夠快以最小化添加膠時(shí)水相的粘度累積。劇烈攪拌一小時(shí)后完全溶解。

圖 2:用于過濾性測試的實(shí)驗(yàn)裝置

羧甲基纖維素鈉粘度的測定:使用如上制備的測試溶液,我們使用來自 Brookfield Engineering 的 TDVII-LV 粘度計(jì)以 60 rpm 的轉(zhuǎn)速連接到主軸 61 來測量粘度。在粘度測試之前,樣品在 20 °C 下平衡。我們計(jì)算了每種溶液的三個(gè)測量值的平均值。

羧甲基纖維素鈉過濾性測試:大多數(shù)測試使用沒有預(yù)過濾的除菌級過濾器。在這種情況下,將 47 毫米的除菌級過濾膜盤安裝在不銹鋼過濾器外殼中(表 2)。外殼入口連接到包含要過濾的 CMC 溶液的上游壓力容器。溶液在壓力容器上游輸送的氣壓的作用下通過過濾器。濾液被放置在一個(gè)容器中,天平與一個(gè)系統(tǒng)相連,該系統(tǒng)記錄了該收集容器隨時(shí)間的重量變化。

當(dāng)在除菌級過濾器之前使用預(yù)過濾器時(shí),要測試的溶液首先在上述壓力下通過預(yù)過濾器。收集得到的濾液,然后通過最終的除菌級濾膜進(jìn)行類似的第二次過濾。

所有測試均在室溫和 2 巴恒壓下進(jìn)行,從 0.5 巴的起始壓力開始上升。我們在發(fā)生阻塞或收集到足夠的數(shù)據(jù)以表明可用數(shù)據(jù)的推斷是可靠的時(shí)終止每個(gè)測試。

結(jié)果和討論0.2-μm 額定除菌級過濾器的比較:我們最初對 Blanose 7M31CF CMC 纖維素膠進(jìn)行過濾性測試,使用三種不同類型的 0.2-μm 額定、雙膜層、除菌級過濾器(按膜層區(qū)分)構(gòu)建和配對。表 2 提供了每個(gè)測試過濾器的構(gòu)造信息:Supor EX 級 ECV、Fluorodyne EX 級 EDF 和 Supor 級 EBV 濾芯。

圖 3:比較 Supor EX 級 ECV、Fluorodyne EX 級 EDF 和 Supor 級 EBV 滅菌過濾器與 Blanose CMC 級纖維素膠、0.4% 濃度的 7M31CF 的過濾吞吐量性能

圖 3 顯示了每種類型的過濾膜(47 毫米圓盤格式)的過濾性能。我們發(fā)現(xiàn),蘇泊爾 EX 級 ECV 過濾器在總通量和過濾速度方面均優(yōu)于 Fluorodyne EX 級 EDF 和蘇泊爾級 EBV 過濾器。

Fluorodyne EX 級 EDF 過濾器和蘇泊爾 EX 級 ECV 過濾器的結(jié)果揭示了兩個(gè)雙層除菌級過濾器(均使用相同規(guī)格的非對稱 PES 預(yù)過濾層,但下游膜層不同)如何表現(xiàn)截然不同在相同的測試條件下。基于其卓越的性能,我們選擇了蘇泊爾 EX 級 ECV 過濾器作為我們的參考膜,用于后續(xù)研究 CMC 溶液不同特性對過濾性的影響。

圖 4:蘇泊爾 EX 級 ECV 過濾器與 Blanose 7M31CF CMC 纖維素膠在水中的吞吐量性能

羧甲基纖維素鈉濃度和粘度的影響: CMC 水溶液的粘度隨 CMC 濃度而迅速增加。圖 4 顯示了在水中不同濃度的 Blanose 7M31CF CMC 纖維素膠通過 Supor EX 級 ECV 過濾器的過濾性測試結(jié)果。測試溶液粘度為 29.7 mPa?s (0.4 % w/w)、55.4 mPa?s (0.6 % w/w) 和 103.8 mPa?s (0.8 % w/w)。觀察濃度和過濾性之間的等級順序。過濾性根據(jù) CMC 溶液的濃度(以及粘度)發(fā)生顯著變化:CMC 濃度越低,過濾性越好。

圖 5:Supor EX 級 ECV 過濾器的吞吐量性能,使用不同的 Blanose CMC 解決方案,替代度 (DS) 在 0.7-1.2 范圍內(nèi);將所有溶液的濃度調(diào)整為具有 40–60 mPa?s 的相似粘度。

取代都DS 效果:圖 5 顯示 DS 0.7 和 DS 0.9 溶液的過濾性沒有顯著差異,但 DS 為 1.2 的溶液顯示出較高的早期過濾器堵塞趨勢。Blanose CMC 纖維素膠具有三種不同的取代度:0.7、0.9 和 1.2。最廣泛使用的類型的 DS 為 0.7,即每 10 個(gè)脫水葡萄糖單元平均有 7 個(gè)羧甲基。由于相鄰鏈之間易于形成氫鍵,因此更高的 DS 等級可改善與其他可溶性成分(如鹽和非溶劑)的相容性。取代度越高,CMC 溶解得越快。但是,根據(jù) DS 等級,會達(dá)到不同的溶劑化階段;相應(yīng)地,較高的 DS 。

由于 DS 增加導(dǎo)致溶解度提高,我們預(yù)計(jì)具有更高 DS 程度的 Blanose CMC 溶液比低 DS 溶液更不容易堵塞過濾器。但圖 5 顯示我們的假設(shè)——DS 為 1.2 的 CMC 解決方案比 DS 0.7 對應(yīng)物更容易過濾——無法得到證實(shí)。結(jié)果表明,具有更高替代程度的 CMC 解決方案會降低吞吐量。該效果與粘度無關(guān),因?yàn)樗?CMC 溶液的濃度都被調(diào)整為具有大約 40–60 mPa?s 的相似粘度。然而,我們認(rèn)為 DS 1.2 溶液的過濾性降低是由于在較高的 DS 水平下更廣泛地形成微凝膠及其對過濾性的更顯著影響。

圖 6:預(yù)過濾對使用 Blanose CMC 纖維素膠、DS 0.7 和 DS 1.2 的 Supor EX 級 ECV 過濾膜通量的影響

預(yù)過濾器/過濾器結(jié)構(gòu)的影響:預(yù)過濾器通常用于提高除菌級過濾器的總吞吐量和流動性能。圖 6 顯示了 2-μm 級預(yù)過濾器對具有兩種不同取代度的 CMC 解決方案的除菌級過濾器的吞吐量性能的影響。我們通過相應(yīng)地調(diào)整 CMC 濃度 (40–60 mPa?s) 將兩種溶液(具有較高和較低 DS)的粘度保持在相同的范圍內(nèi)。對于更高的取代度(DS 1.2),預(yù)過濾幾乎沒有影響。然而,對于較低的替代度 (DS 0.7),預(yù)過濾器的使用顯著提高了除菌級過濾器在體積過程和過濾速度方面的性能。

圖 7:使用不同取代度 (DS) 的 Blanose CMC 溶液,除菌級過濾膜結(jié)構(gòu)對過濾器吞吐量的影響

在通過兩種除菌級過濾器:Supor EX ECV 和 Supor EBV 測試具有不同取代度的 CMC 溶液的過濾性時(shí),我們還觀察到低取代 CMC 的過濾性有所提高(圖 7)。

DS 0.7 CMC 溶液通過蘇泊爾 EBV 過濾器和蘇泊爾 EX ECV 過濾器的過濾性與 DS 0.7 CMC 溶液通過單級蘇泊爾 ECV 過濾器和預(yù)過濾后通過相同除菌級過濾器的過濾性之間的關(guān)系可比(圖 6)。

蘇泊爾 EX 級 ECV 過濾器由不對稱聚醚砜 (PES) 膜層和對稱 PES 膜層組成;蘇泊爾 EBV 過濾器由兩個(gè)具有不同截留等級的對稱 PES 膜層和一個(gè)較粗的上游膜組成。蘇泊爾 ECV 過濾器中的非對稱膜層增強(qiáng)了低取代 CMC 溶液 (DS 0.7) 的過濾性能,但對高取代 CMC 溶液 (DS 1.2) 的影響較小。

我們可以通過考慮較低 DS CMC 溶液與較高 DS 溶液的性質(zhì)差異來解釋在兩種情況下觀察到的行為,假設(shè)后者形成更多的微凝膠。對于低 DS CMC 解決方案,滅菌級過濾器的吞吐量性能——無論是內(nèi)置預(yù)過濾膜層還是單獨(dú)的預(yù)過濾器——似乎都能在更大程度上保持。在較高的 DS 為 1.2 時(shí),微凝膠形成增加所表現(xiàn)出的行為似乎會降低預(yù)過濾的效果。

具有挑戰(zhàn)性的 假設(shè)含有 CMC 的溶液的過濾性受許多變量的影響。我們的研究在 CMC 濃度和取代度以及除菌級過濾膜結(jié)構(gòu)和預(yù)過濾效果方面更具體地解決了過濾問題。我們觀察到可能對過濾產(chǎn)生最顯著影響的 CMC 特性是取代度。最佳CMC來自 0.7-DS 和 0.9-DS CMC 等級,而 Ds 為 1.2 的 CMC 對應(yīng)于顯著降低的過濾器吞吐量性能。所有類型的過濾器和過濾器組合的吞吐量下降可能是由于在最高取代度下微凝膠形成增加引起的過濾器堵塞。所以使用DS為0.7的CMC。

關(guān)于不同的過濾類型和過濾器組合,使用預(yù)過濾器可以提高下游除菌級過濾器對 DS 0.7 流體的性能。使用非對稱膜層并具有高流速的除菌級過濾器可實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)雙層除菌級過濾器的過濾性能明顯不同,它們具有相同的不對稱上游膜層但不匹配的下游膜層。我們的觀察否定了所有使用非對稱預(yù)濾膜的除菌級過濾器的性能相當(dāng)?shù)募僭O(shè)。在可能的情況下,應(yīng)在一個(gè)以上的除菌級過濾器上進(jìn)行過濾性測試。