滤膜在医药行业中的应用分析

制药业 2022-01-25

在进行制剂样品溶出实验和含量有关等分析方法开发的时候，由于有辅料的影响，需要进行过滤，取续滤液作为供试品溶液。在过滤过程中，需要用到滤膜。滤膜的材质和种类有时会对样品造成比较大的影响，需要筛选不同的滤膜。

微孔滤膜的定义

膜分离过程是利用薄膜分离混合物的一种方法。薄膜作为两相之间的选择通过性相，可使两相的某一种或多种组分透过膜，截留其他组分，从而实现不同组分之间的分离，达到分离、浓缩和纯化的目的，它主要利用流体压力差为推动力的筛分分离过程。微孔过滤、反渗透、纳滤、超滤均属于压力驱动型膜分离技术。

类型	渗透物	截留物
微孔过滤	水、溶剂溶解物、气体	悬浮物、颗粒、纤维和细菌（0.01~10μm）
超滤	水、溶剂、离子和小分子（相对分子质量＜1000）	生化制品、胶体和大分子（相对分子质量1000~300000）
纳滤	水、溶剂、价盐（相对分子质量＜200）	溶质、二价盐、糖和染料（相对分子质量200~1000）
反渗透	水、溶剂	部悬浮物、溶质和盐

微孔分离过程是在流体压力差的作用下，利用膜对被分离组分的尺寸选择性，将膜孔能截留的微粒及大分子溶质截留，而使模孔不能截留的粒子或小分子溶质透过膜。

微孔滤膜操作有死端过滤（垂直流过滤）和错流过滤（切线流过滤）。死端过滤主要用于固体含量较小的流体和一般处理规模，膜大多数被制成一次性的。分析常用的过滤流动相和一次性注射式的过滤膜就是死端过滤。见下图。

微孔滤过滤原理

微孔滤膜的过滤机理主要为截留作用。截留作用可以分为以下几种：机械截留、吸附截留、架桥截留、在膜内部的网络中截留。如下图：

1、机械截留：即筛分作用。指膜具有截留比其孔径大或其孔径相当的微粒等杂质的作用。

2、物理作用或吸附截留作用：除了考虑筛分作用，还要考虑其他因素的影响，其中包括吸附和电性能的影响。

3、架桥作用：在孔的入口处，微粒因为架桥作用也同样可被截留。

4、网络型膜的网络截留作用。这种截留是将微粒截留在膜的内部，而不是膜的表面。

从上可见，筛分作用很重要，微粒等杂质与孔壁之间的相互作用有时较孔径大小显得更为重要。

微孔过滤主要应用于分离大分子、胶体粒子、蛋白质以及其他微粒，他们的分离机理是根据分子或微粒的物理化学性能、所使用的膜的物理化学性能和他们之间的相互作用（如大小、形状、电性能）不同而实现分离。

微孔过滤的过程一般有三个阶段：

1、初始阶段：比膜孔径大的粒子被截留在膜的表面，比膜小的粒子进入模孔，其中一些粒子由于各种力的作用被吸附在膜孔内，减少了膜孔的有效直径；

2、过滤中期：微粒在膜表面开始形成滤饼层，膜孔内部吸附逐渐趋向于饱和；

3、后期阶段：随着更多微粒在膜表面被截留，膜孔内部吸附也趋于饱和，微粒开始堵塞膜孔，最终使膜通量趋于稳定继而不断的下降。

通过上述的3个过程，就能理解在溶出过程中滤膜吸附能达到饱和，随着过滤次数的增加越来越难过滤。

微孔滤膜的种类和用途

1、尺寸

常用的针式过滤器有4mm、13mm、25mm、33mm规格，针头式滤器规格的选择通常是与样品的体积有关：通常样品量小于1mL时，选用4mm直径的针头式滤器；样品量在1-10mL时，选用13mm直径的针头式滤器；样品量在10-100mL时，选用25mm直径的针头式滤器；样品量在10-200mL时，选用33mm直径的针头式滤器。

尺寸	4mm	13mm	25mm	33mm
过滤体积(cm2)	0.1	0.65	3.9	4.6
残留体积(ml)	≤1	1-10	10-100	10-200
最高操作压力(psi)	＜10	＜25	＜100	＜125

2、孔径

常用的孔径有0.22μm，0.45μm，0.8μm，1.0μm

孔径	范围
0.22	能去除样品、流动相中极细颗粒的要求;可以达到GMP或者药典规定的除菌99.99%的要求。适用于要求高较高的溶剂、样品的处理，如色谱用离子对试剂、超纯。水、质谱分析溶剂的样品等过滤。用于小于3μm、 3μm或更大填料色色谱系统。
0.45	能滤除大多数细菌微生物，适用于常规样品、流动相过滤，能够满足一般色谱要求
0.8-1.0	去除大多数不溶性微粒，适用于紫外等对样品哟求相对较低的分析检测，效率较0.45μm滤膜高，尤其适用于难溶性辅料多、混悬剂和粘合剂用量多、且使用紫外检测的口服固体制剂溶出检测。
1-5μm	过滤较大颗粒的杂质或者用于难以处理的浑浊溶液的预处理可先以1-5μm滤膜过滤再用相应滤膜进行过滤。

3、种类

微孔过滤器滤膜主要有：醋酸纤维素膜、混合纤维素酯微孔滤膜，尼龙滤膜，聚四氟乙烯滤膜，聚偏氟乙烯膜（PVDF），聚醚砜滤膜，聚丙烯过滤膜（PP滤膜）。

溶剂属性	膜材质	适用范围
水系	醋酸纤维素(CA)	对蛋白吸附比较低、亲水性好，较强的化学兼容性；pH3-7；适用于抗菌素、球蛋白、疫苗血清及组织培养基等过滤；液体除菌、微粒过滤等水基样品。
	聚醚砜(PES)	亲水性膜，通量大，既有良好的吞吐量；对蛋白吸附力低，提高蛋白回收率应用；耐老化、抗蠕变性好，耐化学试剂性能好，可用于高温液体过滤，适用于医药行业生物和血清的过滤、大输液抗菌素等终端过滤、食品行业饮料、酒等终端过滤、超纯水终端过滤等。
	聚偏二氟乙烯(PVDF)	亲水系抗老化、耐溶剂性能优异，可在-40℃~150℃下长期使用，低蛋白吸附。可在室温下耐各种强酸碱即溶剂的腐蚀。可用于一般生物样品过两次，以及高蛋白回收率的样品过滤。可溶于DMAC、NMP等强极性溶剂。
	混合纤维素膜(MAC)	孔隙率高，截留效果好；亲水性好，水通量大；不耐有机溶液和强酸、强碱溶液。具有良好的机械强度、热稳定强、吸附低等特点。适用于实验室、小生产工艺中除菌、除微粒的过滤；培养基、培养液的除菌过滤等
有机系(过滤水系需要预先浸润(乙醇))	疏水聚四氟乙烯PTFE	可过滤几乎所有的有机溶剂、机械强度高、能耐高温液体、过滤空气和颗粒杂质。除非预先浸润，否则过滤水溶液由于张力阻碍将难以推进过滤样品。
水系有机通用(耐有机、过滤水系不需要预先浸润)	尼龙	用于碱性溶液和有机溶剂过滤；尼龙膜具有非常好的机械强度，吸附性强，能耐受大多数有机溶剂和多数碱性溶液，特别适合于碱性溶液的过滤。用于有机溶剂过滤，如HPLC流动相除颗粒过滤时，尼龙膜比PTFE膜更经济实用。由于尼龙膜的吸附性能相对较高，一般不推荐用于培养基过滤、或蛋白液等生物样品的过滤，以免因吸附而损失样品。在这种情况下，通常采用低吸附的醋酸纤维素膜(CA)更为适用。实验室最经济的选择，不仅可以过滤水系样品，还兼容大多数有机溶剂，但不能用于酸溶液和卤烃、芳烃等溶液的过滤。
水系有机通用(耐有机、过滤水系不需要预先浸润)	亲水PTFE	万能膜，机械强度高，能承受高温液体，能耐高温液体、过滤空气和颗粒杂质。兼容一切酸碱溶液，严苛实验室最佳选择。

4、兼容性

不同的滤膜对不同的滤膜兼容性见下表。

注意事项

1、膜不分反正，但最好光滑面向上，粗糟一面向下过滤效果会好。

2、在药品分析溶出实验中，滤膜吸附是使用微孔滤膜最多的弊端，影响滤膜吸附的因素有很多，包括滤膜的直径、孔径、材料、过滤介质的种类、离子强度、pH值、药物本身的性质等。不同材质的滤膜与不同被过滤化合物之间的氢键、范德华力、电荷吸附等相互作用力不同，吸附的程度也不同。也有文献报道不同pH的缓冲盐、不同的稀释剂（如甲醇）可以减少或消除吸附。

3、在药品分析有关物质实验中，需要关注滤膜过滤后是否产生新的杂质。