生物藥制造先進分離介質與集成裝備

原文發表于《科技導報》2025 年第23 期 《 生物藥制造先進分離介質與集成裝備 》

生物藥體系種類多且組成復雜、目標物含量低且結構多變，分離純化是生物藥制造的核心步驟和關鍵組成。《科技導報》邀請中國科學院院士馬光輝團隊撰文，文章闡述了生物藥分離純化領域的主要方法和現階段面臨的挑戰；論述了已上市分離介質和裝備種類有限且國產化程度低等具體問題；介紹了新一代生物分離介質和高效生物分離裝備取得的重點進展以及相關質量標準的建立情況。最后，針對先進分離介質與集成裝備的未來發展提出建議。

生物藥制造產業是21世紀最具發展潛力的戰略性新興產業之一，已成為世界各國新的經濟增長點，產業規模持續增長，在重大疾病如癌癥、心血管疾病、糖尿病等藥物治療和疫苗預防等發揮著關鍵作用。分離純化是生物藥制造的重點部分和關鍵組成，其水平直接關系產品質量、收率、產能和成本等核心競爭力。生物藥體系種類廣泛、來源復雜，目標生物分子含量普遍較低，分子結構多變且易失活等，這些特點導致其純化難度大。高效生物分離純化是推動生物藥制造產業革新的必然要求和核心工作。

1 現代生物分離的主要方法和挑戰

生物分離是根據目標分子的尺寸、電荷性質、疏水性質、特殊結構等性質，將其從復雜生物體系中純化出來的過程。與小分子和傳統生物制品相比，生物藥分子復雜多變，其分離純化難度更大，成本占據生物藥制造總成本的70%以上。因此，生物藥的復雜性和多樣性推動了分離過程的個性化設計，需要根據目標生物藥的自身性質和體系特點，明確純化過程中每個單元操作的不同目的，選擇適宜的分離介質、裝備和純化路線并進行優化，提高純化效率、降低生產成本，最終獲得理想的分離純化效果。

層析和膜分離是迄今為止最主要的2類生物分離純化技術。

層析技術具有選擇性好、純化效率高、分離過程溫和、適用場合廣泛、操作簡便且易于放大、自動化和程序化水平高等諸多優勢，廣泛應用于疫苗、抗體、重組蛋白、多肽、核酸和血液制品等生物藥分離純化領域。層析介質是層析技術的核心材料，也是評價生物藥純化能力的重要依據。

膜分離技術是利用溶液中分子或顆粒透過膜的能力差異進行分離的一種非熱力學過程，廣泛應用于生物藥制造的濃縮、換液、精制和去除微生物污染等環節。其中，壓力驅動的超濾與微濾膜分離技術因其孔徑范圍幾乎涵蓋了生物醫藥制備過程所涉及各類顆粒的尺寸，從而在生物藥分離純化過程中應用最為廣泛（圖1）。目前，微濾技術已成為《中國藥典》規定用于藥品、生物制品、醫療器械和原料等生產以及性狀檢測的除菌工藝之一。

圖1 生物制造體系中的分離膜技術與分離對象

與此同時，作為生物藥制造的核心材料和主要組成，中國分離介質和裝備早期基本依賴進口，國產分離介質和裝備起步晚，相應的檢測規范和產品標準匱乏，不僅不利于國民健康安全，也不利于這些關鍵耗材和設備的國產化和持續創新。

2 新一代生物分離介質

瓊脂糖和葡聚糖等天然高分子，以及聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚醚砜、再生纖維素等合成聚合物是常見的層析介質和膜介質材料，也是目前各種生物藥制造主流分離純化材料。隨著生物上游技術的飛速發展，不同種類的復雜生物藥源源不斷涌入下游分離純化領域，對分離純化技術提出嚴峻挑戰。已上市介質種類有限、結構單一，常常難以滿足這些上游新產品的高效分離純化要求：

（1）粒徑。粒徑過大，導致分辨率低或者活性受損；粒徑過小，無法滿足工業化制備。粒徑不均一也會造成操作過程反壓大且分辨率低。

（2）孔結構。孔徑越大，表面積則越小，介質對生物分子的載量會相應降低。孔徑均一度低會造成分子傳質過程的差異從而影響分離精度。

（3）表面性質。表面性質太弱，易造成結合力不夠，導致載量低；表面性質過強，生物分子與介質之間則因過度結合而導致失活。

因此，自主創新是中國生物藥制造分離純化介質必由之路。其中最為關鍵的是突破已上市介質的種類和結構限制，按需設計高效分離介質。

2.1 粒徑均一介質

粒徑均一介質能夠實現高分辨率純化，對于提高目標產物純度具有重要意義。粒徑均一介質不僅能夠顯著降低溶質分子在層析柱截面上載液速度的不一致，進而抑制譜帶展寬，提高塔板數，還能顯著改善層析柱滲透性，降低柱壓，提高操作效率。其中，平均粒徑分別為10、30μm的2類均一小粒徑瓊脂糖介質，在數百道爾頓至數十萬道爾頓分離范圍均能實現基線分離，在多肽、單抗、疫苗等生物藥高分辨率分析和制備等領域極具應用潛力（圖2）。

圖2 膜乳化技術制備均一層析介質

2.2 超大孔介質

超大孔介質在提高生物大分子傳質效率方面有獨特的優勢，其內部不僅含有數十納米的擴散孔，還含有數百納米的貫穿孔，確保生物大分子在介質內部同時通過對流和擴散進行流動，從而使傳質效率大大提高。其分離速度較傳統層析介質快數十倍甚至百倍，且分離度和載量基本不受影響，十分有利于純化結構復雜且易失活的超大生物分子。更為重要的是，與傳統介質相比，超大孔介質大大減少了類病毒顆粒與介質之間的多位點結合作用，能夠避免其發生解聚或者形成聚集體，從而獲得更高的活性回收率（圖3）。

圖3 超大孔介質

2.3 高載量介質

向介質引入葡聚糖等大分子是一種能顯著提高介質載量的方法，其機理是鍵合了這一類線性大分子后，生物分子吸附空間由二維平面向三維立體進行延伸，從而大大增加了二者之間的可接觸空間，介質的結合容量和傳質效率等都有明顯改善。為了幫助目標生物分子更好地與介質發生結合作用，引入的葡聚糖等這一類分子既需要能夠進入介質內部，又不能堵塞孔道，同時避免過度結合導致生物分子結構發生變化而損失活性。這一類層析介質在重組蛋白藥物、抗體、疫苗、類病毒顆粒等體系都表現出更高的純化效率（圖4）。

圖4 葡聚糖接枝型Protein A介質

2.4 表面性質可控介質

通過調控介質的配基種類和密度、在基質和配基之間引入一定長度的間隔臂以及定點偶聯等方法，優化介質表面性質，提高介質對復雜生物大分子的純化效率。以類病毒顆粒疫苗為例，通過調控離子交換介質和疏水介質的配基密度，以及配基與基質之間的間隔臂長度等，能夠有效抑制多聚亞基疫苗在吸附?解吸附過程中的聚集和解聚，疫苗活性回收率和純化倍數均有明顯提升（圖5）。

圖5 疏水介質表面性質對VLP結構的影響示意

2.5 混合模式介質

生物藥組成和結構十分復雜，單一純化機理的層析介質難以滿足純化要求，集多種分離機制于一身的混合模式介質是重要發展方向之一。混合模式介質是一類具有復合分離機制的介質總稱，一般由具有復合性質的基球和配基組成。其中，以核殼介質和混合模式配基為最重要的2種形式。

• 前者包括惰性外殼和偶聯了功能基團的內核2部分，這種純化形式對疫苗、質粒、病毒和病毒載體等復雜超大分子尤其有利，因此純化效率大大提高。

• 后者是兼具多種作用機制的復合配基，無需再對含鹽樣品進行脫鹽，大大簡化了操作過程，具有更高的結合容量、選擇性和靈敏性。

2.6 親和介質

親和層析具有高選擇性、結合力強、作用溫和、快速分離目標生物分子的特點，是生物藥純化制造的發展重點和未來方向。針對抗體或者腺相關病毒等適于平臺化制備的生物藥，親和介質具有明顯優勢。為實現高效親和層析，高水平親和配基的理性設計與制備極為重要。

2.7 多孔膜介質

多孔膜介質按照孔徑大小一般分為微濾膜和超濾膜2大類。生物醫藥生產過程中微濾膜材料主要包括纖維素、聚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯等聚合物，以及陶瓷等無機材料。超濾膜材料包括陶瓷、再生纖維素和親水改性后的偏四氟乙烯和聚醚砜。

隨著膜材料制備技術的迅猛發展，中國在多種新型膜材料上取得顯著成果，并通過多種改性策略持續提升關鍵性能。超濾膜孔徑的選擇對于生物分離尤為重要。

目前，國產有機微濾膜產品的市場占有率約為50%，但終端除菌過濾等高端應用領域依然被進口膜產品壟斷。同樣，用于高端生物醫藥產品精細分離的有機超濾膜，由于對產品的安全性和一致性要求很高，因此市場基本被進口膜產品壟斷。國內陶瓷膜行業雖起步較晚，但近年來發展勢頭迅猛，其中以溶膠凝膠法制備的高精度陶瓷膜不僅實現國產替代，還填補了國際陶瓷納濾膜領域的空白。

3 生物分離裝備

針對復雜生物體系目標物濃度低、組成復雜和結構易變等特點，除了選用合適的層析介質和膜材料外，還要采取適宜的純化工藝和裝備系統。

3.1 連續流層析

連續流層析是多個層析柱通過若干切換閥門相連接，能夠實現多柱同時運行的技術，具有連續、自動化和模擬固定相逆流運動等特點，以及經濟性、穩定性、環保性等諸多優勢，在生物藥制造領域受到廣泛關注，已用于多肽、抗體、細胞和基因治療藥物、類病毒顆粒和腺相關病毒等多種生物藥制造場合。根據實際純化需要，連續流層析在不同柱上可以使用不同機理的層析技術，如親和層析和離子交換層析等。連續流層析運行過程較為復雜，操作參數較多，且參數之間存在交互作用，各個柱的上樣、洗脫和再生等步驟需要布局和互相匹配，確定最佳連續層析模式和操作條件，從而找到產量、載量利用率和生產效率之間的平衡。

3.2 抗污染膜組件

膜分離是截留細胞等大顆粒物質以及溶質濃縮的有效手段。澄清濃縮液能夠有效降低后續處理操作的規模，從而降低成本。由于與主體溶液產生了濃度梯度，濃差極化區域的溶質通過擴散作用返回主體溶液，這種反向傳質過程提高了流體跨膜的阻力。現代膜過程更多采用的錯流技術是通過料液循環驅動其沿膜面平行流動，由此產生的剪切作用降低膜面的流體停滯邊界層，因此可以有效緩解膜面污染物的累積，從而獲得更高且更為穩定的通量。由此可見，降低濃差極化是提高過濾效率的關鍵手段。這種通過流體剪切控制膜污染時空發展的過濾方式在生物分離工程中常被稱為切向流過濾技術（TFF），該技術常用于融合蛋白、mRNA等藥物分子的濃縮和換液過程。

膜面的流體剪切在降低濃差極化、緩解膜污染的同時也可能造成蛋白變構失活和細胞機械損傷。因此，如何實現低剪切條件下的抗污染性能是切向流過濾技術的核心挑戰。基于魚群陣列仿生設計的擾流裝置能夠在有效降低流動阻力的同時增進流體對流，從而顯著降低膜面的濃差極化現象。基于這一原理設計的平板膜組件能夠在較低流速下實現更好的抗污染性能。碟式旋轉膜通過膜片的轉動產生剪切與離心場的協同作用，不僅能夠降低濃差極化提高通量，還能進一步提升膜的分離選擇性，為膜分離過程和生物反應過程的耦合提供便利。

3.3 反應與分離耦合系統

生物分子的異質性是生物醫藥產品制造過程中對于有效性與安全性這2個核心指標的關鍵挑戰。生物制藥企業在產品濃度、純度和性狀產生重要變化的步驟進行化驗檢測以識別生物藥產品的關鍵質量屬性，從而降低終端產品的異質性，這些步驟又被稱為生物藥制備的關鍵質量檢查點。為有效提高生產效率，降低生產成本，連續化生產工藝（CM）正在成為生物制藥行業的發展趨勢。這一過程中物料的輸入、轉化和產品的持續輸出同時進行，不僅能夠減小設備尺寸、提高單位體積產率和降低生產成本，還可以克服傳統批次式產品的批間差異。

以灌流細胞培養為代表的連續化細胞培養技術是生物反應與分離過程耦合的代表。灌流技術為細胞生長提供了更為適宜且穩定的生長微環境，因此能有效提高細胞密度和產物滴度。基于交變切向流過濾（ATF）的膜分離技術是目前應用最為廣泛的細胞截留技術。細胞截留系統的設計本著易于安裝、操作和維護的原則以達到長周期培養的穩定性。

目前，基于膜分離的細胞灌流系統核心技術在于高效抗污染膜材料和組件的設計與料液流動系統的精準調控。美國瑞普利金公司率先開發的ATF系統利用隔膜泵驅動細胞培養液在中空纖維膜組件內往復運動并完成細胞與產物料液的分離。廣泛應用于實驗室和工業級別的細胞培養過程，占據全球灌流設備的龍頭地位。中國在灌流細胞培養系統的開發和應用領域起步較晚，艾力特采用一次性柱塞泵技術構建的連續切變流過濾系統（CTF）不僅突破了國外的專利技術壁壘，還降低了灌流系統內的換液死區，從而更為有效地降低長周期培養過程中的細胞活性損失。

3.4 分離與檢測耦合系統

生物體系的復雜性和多樣性使得在對其進行分析鑒定前往往需要經歷繁瑣的分離步驟，這對于含量低且結構復雜多變的生物大分子來說極為不利。因此，分離與檢測耦合系統可以成為一體化連續生物工藝中下游操作過程改進的驅動因素，具有過程連續、靈敏度高、抗干擾和樣品需求量少等優勢。以表面等離子共振技術（SPR）為例，其能夠精準分析分子間相互作用，是生物藥制造的核心工具。采取非均勻納米3D鍍層技術以突破傳統增敏瓶頸，與此同時，融合SPR高敏和探針抗干擾優勢，靈敏度和穩定性全面超越傳統技術。這種可在線測量生物反應和分離純化過程的光纖SPR共振生物傳感器，具有高靈敏度與抗干擾能力，特別適合復雜樣本制備過程自動檢測與分析，為推動生物藥產業升級和產品創新提供大力支撐。

4 總結與展望

4.1 總結

生物藥制造產業是融合生物學、工程學、計算機科學等多學科的前沿領域，發展速度驚人，市場價值和潛力巨大。高效分離純化是生物藥制造健康發展之路的根本保障，先進分離介質與集成裝備是實現這一保障的堅固基石。發展面向高水平生物藥分離純化的先進介質和裝備刻不容緩。

• 在分離介質層面，主要根據生物藥體系特點和自身性質，按需設計和調控分離介質的關鍵結構和性能參數，設計和開發粒徑均一介質、超大孔介質、高載量介質、表面性質可控介質、混合模式介質、親和介質和多孔膜介質等高效分離純化介質，以獲得理想的分辨率、結合力、選擇性、活性回收率和分離速度。

• 在分離裝備層面，發展連續流層析和計算機輔助過程設計與控制技術、抗污染膜組件、反應與分離耦合系統以及分離與檢測耦合系統等，不斷促進分離材料、純化工藝和裝備之間的高效協同作用，形成高度集成的連續化制造模式，從而減小用地面積和設備尺寸、提高單位產能和降低制造成本。

通過分離介質、裝備和工藝的持續創新，努力保障和推動生物藥產業升級（圖6）。在產品標準層面，應重視建立和推廣高水平質量標準，由中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室聯合中國標準化研究院、中科森輝微球技術（蘇州）有限公司共同制定了中國首批瓊脂糖微球分離介質國家標準，為中國分離介質行業的創新產品研發、規模化生產和高效應用推廣提供了統一且規范的檢測方法，起到保障產品質量的重要作用。

圖6 生物藥制造先進分離介質與集成裝備

4.2 展望

未來，隨著生物藥制造產業的深度發展和持續優化，發展高效、精準、智能的“生物藥工廠”是重中之重，而先進分離介質與集成裝備作為核心環節，機遇與挑戰并存。

在基礎研究層面，通過先進算法解析生物分子與分離介質間的復雜相互作用從而拓展分離機制，利用人工智能（AI）輔助開發新型高效分離介質和裝備，發展相關方法學減低傳統實驗大量試錯的周期和成本，指導有序劃分材料和裝備的微結構和功能空間；發揮分離介質和裝備的高選擇性相互作用和界面穩定性等關鍵性質，滿足目標活性生物大分子在復雜環境中的高效分離純化；研究分離介質和裝備與疫苗、細胞和基因治療載體和顆粒等重大、前沿生物藥之間的多重協同作用規律；發展智能和響應性分離介質和裝備，實現目標大分子的快速高效富集和純化；研究分離介質和裝備的循環利用，實現節能減排。

在產業化發展層面，國產化、綠色化和智能化是未來生物藥分離純化制造的主要發展方向。

（1）國產化。生物藥分離純化制造國產化，需要不斷提升原始創新能力，凝練核心技術，設計和開發結構可控、性能穩定的新型生物分離介質和高水平分離裝備，解決醫藥產業對于精準性和穩定性的核心訴求，建立從實驗室到產業化的完整周期，建立和完善高水平質量管理和標準體系，提高產品質量，提升國有品牌認知度，在國家政策和相關法律法規的支持和保障下，穩步推進生物藥制造鏈的自主高水平發展。

（2）綠色化。通過使用先進傳感器在線檢測與控制技術以支撐高質量連續分離純化操作、實現不同制造單元間的系統耦合、采取綠色制備工藝等策略，不斷提高生物藥制造產能，降低單位產值能耗，提高溶劑使用效率，實現降成本和環保增值的多重效果，努力在國際市場競爭中占據有利位置。

（3）智能化。引入AI輔助開發機制，利用計算機建模和程序優化將生物藥純化的分子機制和過程模型有機整合，設計開發連續分離技術，縮短分離純化時間，提高介質和裝備利用效率。建設生物藥智能工廠，實現數據實時追溯，積極應對安全性、穩定性和可控性等產業化挑戰。

通過分離介質和裝備以及純化工藝之間的高效協同作用和持續創新，提升和強化產業核心競爭力，促進產業轉型和升級，從而保障和推動生物藥制造向國產化、綠色化和智能化發展，以構建具有國際競爭力的現代產業集群。

本文作者：趙嵐、樊榮、魏煒、馬光輝

作者簡介：趙嵐，中國科學院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點實驗室、中國科學院大學化學工程學院，副研究員，研究方向為生化分離介質；樊榮（共同第一作者），中國科學院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點實驗室、中國科學院大學化學工程學院，研究員，研究方向為生物反應過程與膜分離耦合技術；魏煒（通信作者），中國科學院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點實驗室、中國科學院大學化學工程學院、中國科學院大學前沿交叉科學學院，研究員，研究方向為生物劑型工程；馬光輝（共同通信作者），中國科學院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點實驗室、中國科學院大學化學工程學院、中國科學院大學前沿交叉科學學院，研究員，中國科學院院士，研究方向為均一生物微球和微囊的制備及其在生化工程和醫學工程中的應用。

文章來 源 ： 趙嵐, 樊榮, 魏煒, 等. 生物藥制造先進分離介質與集成裝備[J]. 科技導報, 2025, 43(23): 40?51 .

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