羧甲基纤维素钠 (CMC) 广泛用作口服、局部和肠胃外药物制剂中的赋形剂。它增加粘度,用作悬浮助剂,并稳定乳液。最近,已经评估了 CMC 在有助于改善细胞毒性药物和生物制剂递送的配方中的应用。
CMC 生产的粘度范围很广,通常分为低、中或高粘度等级。CMC 等级可以根据其取代度 (DS) 进一步划分,其定义为每个脱水葡萄糖单元取代的羟基的平均数量(图 1)。DS 和羧甲基取代基团簇的程度共同决定了 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;在较低的 DS(例如,0.2)下,CMC 保留了其起始材料的纤维特性并且不溶于水。
图 1:理想化的羧甲基纤维素钠 (CMC) 可能的单元结构,DS 为 1.0;如果脱水葡萄糖单元上的所有三个羟基都被取代,则 DS 将为 3.0。3.0 的 DS 是 CMC 的理论最大值。
在注射剂的制造过程中,对伽马辐射或热不稳定的成品和前体工艺流体都通过过滤保护免受微生物污染。无菌滤液通常可以使用 0.2-μm 等级的除菌级过滤器来实现,该过滤器已经过制造商的通用验证,并得到用户特定工艺验证的进一步支持。
根据它们的物理化学特性,工艺流体显示出不同的过滤性(过滤行为就吞吐量而言,作为流速和过滤膜堵塞能力的一个因素)。CMC等增粘剂会限制过滤速度并导致过滤器过早堵塞,影响过滤器使用的实用性和经济性。在某些情况下,与过滤含 CMC 的溶液相关的过滤器过早堵塞和处理时间增加导致对使用除菌级过滤器的实用性和经济性的担忧。
由于这些挑战,需要有机会优化基于 CMC 的解决方案的过滤。在这里,我们报告了颇尔公司和亚什兰特种成分之间的合作,以调查可能影响 CMC 过滤性的一些因素。最终,我们寻求提供有用的数据,以帮助从事基于 CMC 的解决方案过滤的公司做出明智的过滤器和 CMC 等级选择。
表 1:本研究中测试的 CMC 类型
材料和方法表 1 和 2 总结了本研究中使用的材料。所有类型的 CMC 均来自亚什兰特种原料 (Wilmington, DE)。来自颇尔公司(瑞士巴塞尔)的过滤器按原样进行测试。图 2 显示了实验设置。
表 2:本研究中测试的过滤器(按相同规格制造的非对称层)
羧甲基纤维素钠溶液的制备: CMC 粉末在第一次加入水中时往往会结块(结块)。为了获得良好的溶解,我们将 CMC 添加到剧烈搅拌的水中,以制备基于 CMC 干质量 (w/w) 的测试溶液。添加速度足够慢以致颗粒分离并且它们的表面变得单独润湿,但它足够快以最小化添加胶时水相的粘度累积。剧烈搅拌一小时后完全溶解。
图 2:用于过滤性测试的实验装置
羧甲基纤维素钠粘度的测定:使用如上制备的测试溶液,我们使用来自 Brookfield Engineering 的 TDVII-LV 粘度计以 60 rpm 的转速连接到主轴 61 来测量粘度。在粘度测试之前,样品在 20 °C 下平衡。我们计算了每种溶液的三个测量值的平均值。
羧甲基纤维素钠过滤性测试:大多数测试使用没有预过滤的除菌级过滤器。在这种情况下,将 47 毫米的除菌级过滤膜盘安装在不锈钢过滤器外壳中(表 2)。外壳入口连接到包含要过滤的 CMC 溶液的上游压力容器。溶液在压力容器上游输送的气压的作用下通过过滤器。滤液被放置在一个容器中,天平与一个系统相连,该系统记录了该收集容器随时间的重量变化。
当在除菌级过滤器之前使用预过滤器时,要测试的溶液首先在上述压力下通过预过滤器。收集得到的滤液,然后通过最终的除菌级滤膜进行类似的第二次过滤。
所有测试均在室温和 2 巴恒压下进行,从 0.5 巴的起始压力开始上升。我们在发生阻塞或收集到足够的数据以表明可用数据的推断是可靠的时终止每个测试。
结果和讨论0.2-μm 额定除菌级过滤器的比较:我们最初对 Blanose 7M31CF CMC 纤维素胶进行过滤性测试,使用三种不同类型的 0.2-μm 额定、双膜层、除菌级过滤器(按膜层区分)构建和配对。表 2 提供了每个测试过滤器的构造信息:Supor EX 级 ECV、Fluorodyne EX 级 EDF 和 Supor 级 EBV 滤芯。
图 3:比较 Supor EX 级 ECV、Fluorodyne EX 级 EDF 和 Supor 级 EBV 灭菌过滤器与 Blanose CMC 级纤维素胶、0.4% 浓度的 7M31CF 的过滤吞吐量性能
图 3 显示了每种类型的过滤膜(47 毫米圆盘格式)的过滤性能。我们发现,苏泊尔 EX 级 ECV 过滤器在总通量和过滤速度方面均优于 Fluorodyne EX 级 EDF 和苏泊尔级 EBV 过滤器。
Fluorodyne EX 级 EDF 过滤器和苏泊尔 EX 级 ECV 过滤器的结果揭示了两个双层除菌级过滤器(均使用相同规格的非对称 PES 预过滤层,但下游膜层不同)如何表现截然不同在相同的测试条件下。基于其卓越的性能,我们选择了苏泊尔 EX 级 ECV 过滤器作为我们的参考膜,用于后续研究 CMC 溶液不同特性对过滤性的影响。
图 4:苏泊尔 EX 级 ECV 过滤器与 Blanose 7M31CF CMC 纤维素胶在水中的吞吐量性能
羧甲基纤维素钠浓度和粘度的影响: CMC 水溶液的粘度随 CMC 浓度而迅速增加。图 4 显示了在水中不同浓度的 Blanose 7M31CF CMC 纤维素胶通过 Supor EX 级 ECV 过滤器的过滤性测试结果。测试溶液粘度为 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)。观察浓度和过滤性之间的等级顺序。过滤性根据 CMC 溶液的浓度(以及粘度)发生显着变化:CMC 浓度越低,过滤性越好。
图 5:Supor EX 级 ECV 过滤器的吞吐量性能,使用不同的 Blanose CMC 解决方案,替代度 (DS) 在 0.7-1.2 范围内;将所有溶液的浓度调整为具有 40–60 mPa•s 的相似粘度。
取代都DS 效果:图 5 显示 DS 0.7 和 DS 0.9 溶液的过滤性没有显着差异,但 DS 为 1.2 的溶液显示出较高的早期过滤器堵塞趋势。Blanose CMC 纤维素胶具有三种不同的取代度:0.7、0.9 和 1.2。最广泛使用的类型的 DS 为 0.7,即每 10 个脱水葡萄糖单元平均有 7 个羧甲基。由于相邻链之间易于形成氢键,因此更高的 DS 等级可改善与其他可溶性成分(如盐和非溶剂)的相容性。取代度越高,CMC 溶解得越快。但是,根据 DS 等级,会达到不同的溶剂化阶段;相应地,较高的 DS 。
由于 DS 增加导致溶解度提高,我们预计具有更高 DS 程度的 Blanose CMC 溶液比低 DS 溶液更不容易堵塞过滤器。但图 5 显示我们的假设——DS 为 1.2 的 CMC 解决方案比 DS 0.7 对应物更容易过滤——无法得到证实。结果表明,具有更高替代程度的 CMC 解决方案会降低吞吐量。该效果与粘度无关,因为所有 CMC 溶液的浓度都被调整为具有大约 40–60 mPa•s 的相似粘度。然而,我们认为 DS 1.2 溶液的过滤性降低是由于在较高的 DS 水平下更广泛地形成微凝胶及其对过滤性的更显着影响。
图 6:预过滤对使用 Blanose CMC 纤维素胶、DS 0.7 和 DS 1.2 的 Supor EX 级 ECV 过滤膜通量的影响
预过滤器/过滤器结构的影响:预过滤器通常用于提高除菌级过滤器的总吞吐量和流动性能。图 6 显示了 2-μm 级预过滤器对具有两种不同取代度的 CMC 解决方案的除菌级过滤器的吞吐量性能的影响。我们通过相应地调整 CMC 浓度 (40–60 mPa•s) 将两种溶液(具有较高和较低 DS)的粘度保持在相同的范围内。对于更高的取代度(DS 1.2),预过滤几乎没有影响。然而,对于较低的替代度 (DS 0.7),预过滤器的使用显着提高了除菌级过滤器在体积过程和过滤速度方面的性能。
图 7:使用不同取代度 (DS) 的 Blanose CMC 溶液,除菌级过滤膜结构对过滤器吞吐量的影响
在通过两种除菌级过滤器:Supor EX ECV 和 Supor EBV 测试具有不同取代度的 CMC 溶液的过滤性时,我们还观察到低取代 CMC 的过滤性有所提高(图 7)。
DS 0.7 CMC 溶液通过苏泊尔 EBV 过滤器和苏泊尔 EX ECV 过滤器的过滤性与 DS 0.7 CMC 溶液通过单级苏泊尔 ECV 过滤器和预过滤后通过相同除菌级过滤器的过滤性之间的关系可比(图 6)。
苏泊尔 EX 级 ECV 过滤器由不对称聚醚砜 (PES) 膜层和对称 PES 膜层组成;苏泊尔 EBV 过滤器由两个具有不同截留等级的对称 PES 膜层和一个较粗的上游膜组成。苏泊尔 ECV 过滤器中的非对称膜层增强了低取代 CMC 溶液 (DS 0.7) 的过滤性能,但对高取代 CMC 溶液 (DS 1.2) 的影响较小。
我们可以通过考虑较低 DS CMC 溶液与较高 DS 溶液的性质差异来解释在两种情况下观察到的行为,假设后者形成更多的微凝胶。对于低 DS CMC 解决方案,灭菌级过滤器的吞吐量性能——无论是内置预过滤膜层还是单独的预过滤器——似乎都能在更大程度上保持。在较高的 DS 为 1.2 时,微凝胶形成增加所表现出的行为似乎会降低预过滤的效果。
具有挑战性的 假设含有 CMC 的溶液的过滤性受许多变量的影响。我们的研究在 CMC 浓度和取代度以及除菌级过滤膜结构和预过滤效果方面更具体地解决了过滤问题。我们观察到可能对过滤产生最显着影响的 CMC 特性是取代度。最佳CMC来自 0.7-DS 和 0.9-DS CMC 等级,而 Ds 为 1.2 的 CMC 对应于显着降低的过滤器吞吐量性能。所有类型的过滤器和过滤器组合的吞吐量下降可能是由于在最高取代度下微凝胶形成增加引起的过滤器堵塞。所以使用DS为0.7的CMC。
关于不同的过滤类型和过滤器组合,使用预过滤器可以提高下游除菌级过滤器对 DS 0.7 流体的性能。使用非对称膜层并具有高流速的除菌级过滤器可实现工艺优化。我们发现两个双层除菌级过滤器的过滤性能明显不同,它们具有相同的不对称上游膜层但不匹配的下游膜层。我们的观察否定了所有使用非对称预滤膜的除菌级过滤器的性能相当的假设。在可能的情况下,应在一个以上的除菌级过滤器上进行过滤性测试。
