《Journal of Membrane Science》：Modeling the effect of monoclonal antibody on the performance of small virus filters using an advanced multilayer membrane model
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研究人员采用先进的多层膜模型，量化三种小病毒过滤器(Planova 20N、Planova S20N及Planova BioEx)的结构特征，包括孔隙率与孔径分布，并在恒定通量(75 LMH)条件下，对含小鼠细小病毒(MVM)的磷酸盐缓冲液(PBS)及其与5
研究人员采用先进的多层膜模型，量化三种小病毒过滤器(Planova 20N、Planova S20N及Planova BioEx)的结构特征，包括孔隙率与孔径分布，并在恒定通量(75 LMH)条件下，对含小鼠细小病毒(MVM)的磷酸盐缓冲液(PBS)及其与5 g/L单克隆抗体(mAb)混合溶液进行过滤实验。模型成功再现了MVM在膜内的截留分布，揭示了不同过滤器的结构差异。在含mAb体系中，跨膜压力(TMP)曲线拟合结果显示，存在低于尺寸排阻色谱(SEC)检测限(0.01%)的三聚体或更高级聚集体。mAb存在下，MVM截留峰值向渗透侧偏移，模型分析表明该现象源于孔内可逆mAb聚集体对初始捕获MVM的置换作用。不同过滤器的过滤行为差异反映了其膜结构特性，证实mAb可改变病毒捕获分布。本研究首次将多层膜模型用于预测此类效应，为生物制药工艺中病毒过滤优化提供了理论依据。
研究背景与意义
病毒过滤(VF)是生物制药下游工艺中去除病毒杂质的关键步骤，其核心挑战在于在保证高对数下降值(LRV≥4)的同时维持高目标蛋白回收率(≥90%)。小病毒过滤器依赖精密的非对称孔结构实现这一平衡，但其性能受膜孔径分布、孔隙率梯度及进料组成(如高浓度单克隆抗体mAb)的复杂影响。现有模型难以同时关联膜结构不对称性、蛋白聚集体动态行为与病毒截留分布的演变机制。本研究针对三种商用中空纤维小病毒过滤器(Planova 20N、S20N、BioEx)，结合实验与多层膜模型，首次量化了mAb可逆自缔合聚集体对病毒截留分布的动态影响，为工艺优化提供理论支撑。
关键技术方法
研究采用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)表征MVM在膜内的截留分布；通过尺寸排阻色谱(SEC)与动态光散射(DLS)分析mAb聚集体组成及流体力学半径；基于膜材料自发荧光强度分布推导孔隙率梯度，构建包含50层的非对称多层膜模型，引入孔径收缩机制与颗粒置换效应，拟合实验TMP曲线与截留分布数据。实验样本为含MVM的PBS溶液及5 g/L mAb混合溶液，在恒定通量(75 LMH)下完成过滤。
研究结果
跨膜压力(TMP)曲线：所有过滤器在含mAb溶液中的TMP均高于单纯MVM溶液，BioEx增幅最显著，与其整体低孔隙率结构一致。LRV值在两种体系中均保持高位(20N: ~4.6；S20N/BioEx: >5.5)，表明mAb存在未削弱病毒清除能力。
MVM截留分布：无mAb时，截留峰位于膜层编号16(20N)、22(S20N)及2(BioEx)；加入5 g/L mAb后，峰值分别移至19、24及6，呈渗透侧偏移。BioEx偏移幅度最大，S20N最小。
膜结构与孔径分布：孔隙率分析显示20N与S20N中部孔隙率稳定(~60%)，BioEx则整体较低且沿渗透方向递减。拟合所得平均孔径分布揭示：20N孔径由80 nm骤降至20 nm(第10–20层)；S20N孔径>70 nm直至第20层后下降；BioEx在第10–40层维持~20 nm窄分布，解释了其高机械强度与病毒截留稳定性。
mAb聚集体组成确定：通过TMP曲线拟合，在SEC检测限(0.01%)以下识别出微量聚集体：20N含0.0055%十五聚体(半径15 nm)；BioEx含0.008%四聚体(10.5 nm)及0.0027%十一聚体(15 nm)；S20N未检出额外聚集体。聚集体浓度与膜内剪切应力正相关，符合可逆自缔合理论。
含mAb时MVM截留分布重现：固定捕获概率P无法复现渗透侧偏移现象；引入“病毒颗粒被聚集体置换并邻近重捕”机制后，计算分布与实验吻合，LRV预测值(20N: 4.81；S20N: 6.04；BioEx: 5.93)与实测一致。初始捕获概率(PI)与重捕概率(PR)分别为：20N(0.013, 0.5)、S20N(0.013, 0.5)、BioEx(0.008, 0.03)。
讨论与结论
本研究证实高浓度mAb过滤时，可逆自缔合形成的亚检测限聚集体可通过物理置换作用推动已捕获病毒向渗透侧迁移，但不降低整体LRV。多层膜模型成功整合了膜结构不对称性、孔径动态收缩及颗粒置换效应，为解析复杂进料下的病毒过滤行为提供了新范式。三种过滤器结构差异直接影响其对聚集体诱导偏移的敏感性：BioEx因高剪切与窄孔径分布表现出最强偏移，S20N因结构均一性偏移最小。该模型可指导病毒过滤器选型与工艺参数优化，提升生物制药病毒清除步骤的稳健性。研究发表于《Journal of Membrane Science》。
