中国科学院大连化学物理研究所DNL0901课题组
生物医药产业是国民经济的重要组成部分，事关国计民生和经济社会发展。“十二五”期间，生物医药工业总产值以每年20%以上的速度递增，根据中康CMH数据，2017年我国生物制药药品市场总规模已经达到了3600多亿。以来，从战略和全局高度，明确提出“推进健康中国建设”，健康中国上升为国家战略，对生物医药产业提出了更高的要求，生物医药产业将在健康中国建设和大健康产业发展中发挥重要作用。
我国生物医药行业的迅猛发展，但是同时也面临着产品质量、成本、安全、能耗、环境等压力，迫切需要转型升级。药物产品品质直接关系到我国广大患者的生命和心理健康。在2016年2月14日，，“我们要下决心提高药物质量，尤其是基本药物质量，医药产业发展首先是“民生需要”，同时也是“发展需要”。要把加快医药产业健康发展和深化医药卫生体制改革结合起来，更好服务、惠民生……”。药物纯度和杂质种类、含量的控制和标准是药物质量和安全性的关键所在。能否实现高品质、高纯度、安全有效的药物产品，决定着一个医药企业的生死存亡，也关系到广大人民群众的生命健康。药物的分离纯化技术是制药工艺的核心，是决定产品的安全、品质、收率和成本的技术基础。药物的分离纯化成本在药物生产总成本里所占的比例越来越高。在以小分子为主的天然药物和化学合成药物的生产过程中，分离纯化成本占总生产成本的60%左右，而在以大分子为主的生物技术药物的生产过程中，分离纯化成本高达80%以上。另外，分离纯化技术的发展对于提高生产效率、降低能耗、减少溶剂消耗、降低三废排放等都具有直接促进作用。因此，药物分离纯化技术的优劣直接关系到制药企业的效益和市场竞争力。
目前生物医药的分离纯化方法主要包括重结晶、萃取、层析以及工业色谱(高效液相色谱法)技术等方法，然而目前传统的重结晶、萃取、层析等分离纯化工艺存在着生产周期长、生产效率低下、污染严重、产品纯度低等缺点，大大降低了我国制药企业的国际竞争力。工业色谱是目前公认的一种用于分离和纯化生物医药化学品的工业单元操作，与其他的传统分离纯化方法相比，其具有：
1）操作简单、重现性好、分离效率高、周期短；
2）得到的产品纯度高，可以用于结构鉴定，极大地提高了药品、天然物等的安全性；
3）采用动态轴向压缩(DAC)技术，节省填料且分离效率高；
4）适用于成分复杂的天然产物和生物药物高纯度单体的大量制备，具有毒性小、经济、环保等优点，在药物领域有不可替代的地位等；
因此，目前国际上工业色谱分离技术在生物医药产业中应用日益广泛。工业色谱分离纯化技术的示意流程如下：
工业色谱分离纯化技术的示意流程图
目前，工业色谱技术广泛地应用于中药及天然产物有效成分的分离纯化、合成药品（拆分手性药物、纯化药物、分离杂质、制备杂质纯品提供标样）和生物制药的分离纯化(包括海洋生物等蛋白质、多肽、核酸等生物大分子的分离及抑菌活性物质的纯化制备等)等方面。例如：被认为是人类未来20年间最有效的抗癌药物之一，也是目前已发现最优秀的天然抗癌药物-紫杉醇，在临床上已经广泛用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗。其主要从短叶红豆中提取或者半合成的具有抗癌活性的二萜生物碱，无论是从资源珍贵的植物还是从培养的植物细胞组织及微生物发酵中提取，目前主要采用工业色谱技术进行分离提纯，紫杉醇成品的纯度可以达到99%，而且回收率高达80%以上。
另外，被医学界称为“万病之源”的糖尿病，目前在我国的发病人群高达1亿多，而尽管目前国际医药市场上已有磺酰脲类、α－葡糖苷酶抑制剂类和噻唑烷二酮类等数十个品种的降糖药，但临床医学界早已观察到糖尿病人对这些药物发生了耐受现象。作为糖尿病“最后的治疗手段”的胰岛素，其需求量因此不断上升。根据中康CMH数据，2016年糖尿病用药市场规模高达475亿元（按终端零售价计算），其中胰岛素及其类似物的市场规模高达200多亿元。生产胰岛素的工艺方法，主要是依靠菌类发酵来进行人工合成，其中最为关键的步骤是菌类发酵生产和后期的分离纯化，尤其是后期的分离纯化对于药品的质量、成本、安全都有重要的影响。目前，胰岛素主要是采用工业色谱技术进行后期的分离纯化，其纯化的纯度可以达到99%，其纯度高，副作用少，生物效价高。然而，目前三大外资巨头：诺和诺德、礼来制药以及赛诺菲占据了93%的大部分市场份额。
因此，以工业色谱技术为核心的高效纯化制备技术是制药工艺研发的重点，也是医药产业转型升级的重要方向。
色谱柱中的高效分离材料是工业色谱技术的核心。据国际咨询公司Markets And Markets调查报告，2013年全球分离材料产值为13亿美金， 2018年达到19亿美金，平均增长率7.2%。其中球形的多孔硅胶材料在生物医药分离领域占据着重要地位，较传统的无定形硅胶材料、大孔吸附树脂材料，色谱硅胶填料具有分离选择性高、吸附量大、速度快、有机溶媒及固体废弃物少等优势，是分离材料及其大规模工业应用的重要方向。目前，我国国内微米级高纯硅胶基质的现有市场保守估计为6亿多元，而相关的分离纯化系统产值已经达到30亿元，所涉及到的分离纯化药品的市值达到千亿。然而，目前国内95%的微米色谱硅胶基质填料市场被美国Grace，日本Daiso、YMC、FUJI，德国Merck和瑞典Akzo Noble等跨国公司垄断，价格昂贵，成为制约我国药品品质和生物医药行业发展的重大瓶颈。
中国科学院大连化学物理研究所DNL0901课题组研究团队在已有的催化剂设计和合成理论的基础上，提出了合成单分散微米色谱柱填料的创新制备新工艺，合成出了孔径分布窄，尺度为介孔，球形度和均一度高的微米色谱硅球填料。而且，研究团队自主研发和设计了规模为2000kg/年的单分散微米色谱柱填料生产线。
目前，该生产线不仅成功制备出颗粒尺度2μm，3.5μm，5μm，10μm的微米硅胶填料，而且可以实现可控制备颗粒尺度在2-10μm之间任意尺度的微米硅胶填料颗粒的制备。目前，开发的色谱微米硅胶填料的品牌号为DIChromPrelSil。
本课题组提出的单分散微米硅胶填料的主要技术特点为：
1、颗粒尺度的可控制备(可控尺度范围为2-10μm)；
2、孔径分布集中，孔径尺度为介孔，且孔径尺度在9-30nm之间可控制备；同时掌握了大孔径硅胶(100-200nm)的制备技术；
3、填料的颗粒尺度均一度高，目前制备的均一度范围为D90/D10=1.2-1.5；
4、单分散微米色谱柱填料的广谱性高；
5、单分散微米色谱柱填料的机械强度高；
6、新工艺生产的微米填料批次重复性好，完全解决了生产批次重复性差的缺点等；
7、解决了传统合成工艺放大难的问题，新工艺可以实现任意规模的放大。
单分散色谱硅胶填料的不同放大倍率的SEM图
单分散色谱硅胶填料的N2吸脱附线和BJH方法计算的孔径分布图；
微米色谱柱填料的性能测试
为了进一步验证微米色谱填料的性能，经过专业的机构对课题组开发的色谱柱填料进行了一系列的检测和测试。
反相C18键和的色谱填料性能测试
在分离纯化市场上，反相键和的微米色谱硅胶填料需求约占80%以上。相比其他的反相色谱填料如氨基、C8、苯基、氰基等，C18色谱填料的应用最为广泛，而且对微米硅胶基质的表面性质要求最高。因此，分别对5um和10um色谱填料进行C18反相键和，然后进行一系列的标准测试，检测课题组开发的色谱微米硅胶填料性能。首先对5um的色谱硅胶填料进行C18键和，键和之后的测试结果如下：
1、疏水性测试
测试条件：
标准品：C8混标；
仪器：Agilent 2#；
色谱柱： 4.6 × 150 mm，5 µm；
洗脱条件：乙腈:水=70:30 (v/v)；
检测波长：UV(254 nm)；
柱温：30°C；
流速：1.0 mL/min；
进样体积：2.5 μL；
测试和日本F公司商品对比结果
2、酸性条件下亲硅醇基活性测试
测试条件：
标标准品：酸性混标；
仪器：Agilent 2#；
色谱柱：4.6 × 150 mm，5 µm；
洗脱条件：乙腈:水:100 mM甲酸铵（pH=3.2）=45:45:10 (v/v/v)；
检测波长：UV(254 nm)；
柱温：30 °C；
流速：1.0 mL/min；
进样体积：0.5 μL；
测试和日本F公司商品对比结果
3、中性条件下亲硅醇基活性测试
测试条件为：
标准品：中性混标；
仪器：Agilent 2#；
色谱柱：4.6 × 150 mm，5 µm；
洗脱条件：甲醇:10 mM K2HPO4+ 10 mM KH2PO4(pH=7.0)=70:30 (v/v)；
检测波长：UV(254 nm)；
柱温：30 °C；
流速：1.0 mL/min；
进样体积：2.0 μL；
测试和日本F公司商品对比结果
4、10um色谱硅胶基质C18键和性能测试
此外，为了更好满足工业色谱技术中分离纯化压力降的要求，我们也对规格为10um的大尺度颗粒色谱硅胶基质键和以及性能测试，其检测结果如下：
测试的条件：
色谱柱： 4.6×150 mm,10 mm
流动相：甲醇:水=85:15 (v/v)
标准品：C8混标
进样量：1.0 mL
检测波长：UV(254 nm)；全波长(190-400 nm)
柱温：30℃
流速：0.9 mL/min
仪器：Agilent 1100
测试和日本F公司商品对比结果
从上述的测试结果可以看出，无论是5um还是10um硅胶基质填料，经过严格的色谱检测以及和日本某商品对比之后，本课题组制备的色谱硅胶填料在柱压、柱效、选择性等方面具有相当或者是优于国外的某商业品牌的产品，完全满足色谱的分析和分离纯化的要求。
色谱填料的化学稳定性测试
色谱填料的化学稳定性对于其后期分离纯化过程的实际应用非常重要，对DIChromPreSil的10um微米硅胶填料进行多次的进样分离某抗生素药品来检测填料表面的化学稳定性，检测结果如下：
从上述的检测结果可以看出，经过长周期、多次数的分离能力测试，课题组制备的色谱硅胶填料显示了非常高的化学稳定性，完全满足工业色谱技术分离纯化的要求。
色谱填料的机械强度测试
色谱填料的机械强度对于其在工业色谱技术中的分离纯化至关重要。通过对DIChromPreSil -10um的色谱硅胶基质进行了约60次动态轴向压缩(DAC)技术填装冲击，结果发课题组制备的色谱硅胶基质没有任何破碎，显示了非常好的机械强度性能，而且经过装柱测试，其柱效(分离性能)达到了53200/m，具有比较高的分离能力。
经过60次动态轴向压缩(DAC)技术填装冲击后的色谱硅胶填料的色谱测试分析图
因此，本课题组开发制备的色谱硅胶填料，经过C18键和之后，采用Waters最为严苛的测试程序进行了检测，结果显示色谱硅胶填料在选择性、对称性，柱效等方面完全满足液相色谱分离纯化和分析的要求，而且色谱硅胶填料显示了非常高的化学稳定性和机械强度，完全满足工业制备色谱分离纯化的各项要求。
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