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解決手性色譜填料“卡脖子”難題－中國手性色譜填料的創新之路
01 手性色譜填料“卡脖子”問題
作為我國色譜填料和色譜柱自主生產型企業，月旭科技很早就涉足手性色譜填料和手性柱的研發和制造，解決了諸多醫藥行業客戶棘手的問題。對于手性色譜填料來說，其中一種關鍵的原料試劑－直鏈淀粉，國內大多數廠家和科研機構一直采用進口的試劑。然而，大概在五、六年前，某些進口的直鏈淀粉試劑突然在中國市場下架，不在中國市場銷售，因此造成我們和眾多其它使用直鏈淀粉的公司一樣，不得不面對沒有這種手性填料關鍵的原材料可用的地步。大家可能會問，手性色譜填料和色譜柱到底在分離中起多大的作用？小小的直鏈淀粉試劑竟然能成為“卡脖子”問題？好了，針對大家的疑惑，聽我們慢慢道來。
02 手性色譜填料研發的必要性
對于藥物分子及其中間體來說，當其碳原子連接四個不同的原子或基團在共價鍵的作用下會呈現出兩種空間結構，這就如物體在鏡子里和鏡子外一樣，物體和其鏡像不能*重合，這種現象叫做手性（chirality，來自于希臘語cheir，意指手，它們像一雙手。
手性是自然界的屬性，是人類賴以生存的自然界的本質屬于之一。生命現象中的化學過程都是在極不對稱的環境中進行的，生物大分子如蛋白質、核酸和多糖等，全都有手性特征。例如除細菌以外的蛋白質都是由左旋的L-氨基酸組成；多糖和核酸中的糖則是右旋的D構型。在很多情況下，手性化合物的生理活性、毒性和代謝過程等都存在顯著地差異。沙利度胺（thalidomide, 反應停）就是其中一個典型的案例，20世紀60年代它被廣泛應用于針對不良妊娠孕婦的治療，但是后來發現它也會導致孕婦的胎兒畸形，大量的實驗結果表明，反應停的(R)-(+)-thalidomide有鎮靜和安眠的作用，而(S)-(-)-thalidomide不僅沒有這種作用反而對胎兒有致畸作用；再比如(S)-構型布洛芬（Ibuprofen）是高效的非甾體解熱鎮痛藥，而(R)-構型布洛芬基本沒有藥理活性。正因為如此，早在1992年美國食品和藥品管理局（FDA）就對手性藥物的研究和制備頒布了相關規定，要求在提交手性藥物的申請文件時必須要提供單一對映體的藥理活性和藥代動力學實驗的完整報告。市場對手性藥物的迫切需求和藥品管理當局制定的新規不斷刺激著手性藥物的研發和制備，預計到2025年，全球藥品市場規模將17114億美元[1]，其中具有單一異構體的手性新藥物大約占小分子化學藥物的60%，巨大的市場和廣闊的發展空間讓手性分離技術備受關注，并使手性識別與拆分成為目前科學研究的熱點。
鑒于此，手性化合物的精準拆分對于藥物分析具有重要意義。目前，手性化合物的拆分方法主要有化學拆分法、酶或微生物法以及色譜拆分法。其中，色譜法是指利用外消旋化合物中兩種單一對映體與手性固定相（chiral stationary phase, CSP）之間的相互作用力不同，使其在色譜系統內的保留時間產生差異，最終達到手性分離。手性色譜拆分的基本原理是基于Dalgliesh教授在1952年提出的“三點相互作用”（three-point interaction）理論。根據這一理論，在一對對映異構體和手性選擇劑之間，為了形成穩定性不同的非對映異構體分子絡合物而達到手性分離的目的，至少需要三個同時發生的分子間的相互作用力的存在。而且，三點作用力中至少有一個必須是立體化學相互作用，“三點相互作用”的要求不可避免地要從三維空間結構考慮相互的手性識別。色譜法具有ji強的手性分離性能，且經色譜拆分后手性化合物的生物活性可以維持不變，而作為拆分手性化合物的色譜柱的核心，手性色譜填料的發展毫無疑問地在提高手性色譜分離的選擇性，實現手性化合物分離等方面具有至關重要的作用。
人們很早就意識到許多天然產物，特別是糖類的手性性質和可用性，這些化合物可以作為手性對映異構體的分離材料。多糖化合物是自然界含量豐富的具有旋光性的天然聚合物，目前在被開發使用的CSP中，多糖衍生物CSP因其具有識別范圍廣、負載量高且來源豐富等特點，逐漸成為應用最多、zui有效的CSP之一。多糖類手性填料主要包括纖維素、直鏈淀粉和環糊精以及基于它們的衍生物所制得的高聚物，由于其本身具有高度有序的螺旋結構使其具有優異的手性識別能力，多糖類衍生物手性色譜填料在液相色譜直接拆分對映體方面應用越來越廣泛，表1是手性色譜色譜填料的具體分類，由表1可以明顯看出，糖類及其衍生物CSP在手性填料中占有舉足輕重的地位。
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表1：手性色譜分離材料的分類
目前，多糖類衍生物手性色譜填料以纖維素和直鏈淀粉苯基氨基甲酸酯類衍生物手性固定相應用得廣泛，其中，尤其以日本大阪大學 Okamoto教授課題組對其研究深入。早在1984年Okamoto[2,3]課題組就將纖維素衍生物通過物理方法涂敷在硅膠表面形成聚合物包覆硅膠薄膜，克服了微晶纖維素三乙酯（MCTA）作為 CSP 的機械穩定性差問題。在隨后的工作中Okamoto教授課題組又合成了一系列的纖維素和直鏈淀粉衍生物，將其均勻地涂敷到硅膠上制得CSP，*解決了手性填料的機械強度低、穩定性差等問題。到目前為止，市場上使用頻率*高的就是日本一家著名手性色譜柱公司的“四大金剛”多糖類手性色譜柱，具體型號為正相的AD-H、AS-H、OD-H和OJ-H、反相的AD-RH、AS-RH、OD-RH和OJ-RH，大概可以解決市場上90%左右的手性化合物的拆分問題，體現出非常優異的分離效果 。
到目前為止，手性色譜填料基本上是由這家日本手性色譜柱公司所壟斷，當其它常規反相C18色譜柱每根只賣幾千元人民幣時，一根裝有3克左右手性填料的色譜柱價格超過1萬元人民幣，國內進行不對稱有機合成的科研機構和公司每年都要花費高昂的經費在手性色譜柱的采購上。另外，如果需要采用手性制備柱進行分離純化從而得到單一的對映體目標物產品，那就花費更高，因為一根手性制備柱的價格往往超過10萬元人民幣。對于色譜填料廠家而言，生產一公斤的手性色譜填料，裝成柱子后常常可以賣到幾百萬人民幣的價格，其產品附加值非常高。盡管如此，手性色譜柱的壽命卻遠遠不如常規色譜柱的壽命長，特別是涂覆型的手性分離材料，特別“嬌貴”！也正是因為手性色譜填料的高額利潤使得許多色譜公司和科技精英紛紛去挑戰這些技術，但由于手性色譜分離技術壁壘之高及產品產業化難度巨大，至今都無法撼動這家日本手性色譜填料公司的壟斷地位。
03 手性色譜填料國產化－解決
“卡脖子”技術的必由之路
多糖類手性色譜填料主要是通過在全多孔硅膠微球上涂覆或鍵合帶有手性識別位點的多糖如纖維素、直鏈淀粉和環糊精等高分子聚合物等。為了達到對映異構體拆分的目的，涂覆或鍵合后的纖維素和直鏈淀粉必須保持手性結構環境，使得對映異構體和手性分離材料之間具有“三點相互作用”。遺憾的是，纖維素、直鏈淀粉和環糊精等多糖類衍生物的手性結構容易在涂覆或鍵合過程中受到破壞，因此制備多糖類手性色譜填料不僅對硅膠微球基質要求高，對涂覆或鍵合工藝的要求往往更高，且對多糖類物質的本身的結構例如顆粒大小、聚合度、分子量以及衍生衍生物功能基團均有ji高的要求，因此多糖類手性色譜填料的制備技術壁壘ji高，目前中國市場的手性分離填料和色譜柱基本以進口品牌為主，很少有國產廠家能夠規模化制備。中國擁有大的色譜技術科研團隊和應用團隊，我們利用色譜技術發表的SCI論文早在2011年就已經超越了美國，位居全qiu第yi。但遺憾的是，這些科研論文絕大多數采用的色譜填料和色譜柱是進口品牌。主要原因是色譜填料技術壁壘高、產業化周期長、對材料本身的穩定性和重現性要求ji高。由于色譜技術主要是用于做精準的定性、定量或者分離純化某些高附加值目標物，一個很現實的問題是客戶樣品的價值往往遠高于一根小小柱色譜柱的價值，并且，一旦出現偏差，客戶需要進行大量的OOS（檢驗結果偏差）偏差調查，費時費力。所以客戶輕易不敢更換色譜填料和色譜柱的品牌。
淀粉是一類分布廣泛的多糖，也是D-(+)-葡萄單元組成，它的結構比纖維素更為復雜，化學結構如圖3所示。淀粉由大約20%的直鏈淀粉（amylose）和80%的支鏈淀粉（amylopactin）組成，只是直鏈淀粉是線性聚合物，支鏈淀粉是由C1-C6連接的分支形聚合物。
圖3：淀粉的化學結構
對于手性填料特別是直鏈淀粉修飾的手性填料來說，其最大的挑戰不在于基質硅膠微球的性能，而在于關鍵的原材料－直鏈淀粉本身的理化性質和涂覆或者鍵合工藝，因為多糖類的手性色譜填料的拆分機理仍然主要是靠“三點相互作用”，而具有手性識別功能的直鏈淀粉例如顆粒度大小、聚合度、分子量分布等參數當仁不讓地會影響最終的拆分效果。目前，中國市場上90%以上的手性柱市場由一家日本公司壟斷，他們的手性柱甚至成為了世界標準，他們甚至在產品資料上明確地寫上“手性色譜柱分離世界標準”，這是非常自豪的事情！但是，這并不代表國產的色譜柱公司經過多年的技術積累無法接近或者達到這些進口的手性色譜填料公司的產品。尤其在如今現在中國面臨發達國家“卡脖子”技術的大環境下，這就更加需要我們國內的科技型公司腳踏實地地做好產品研發和技術探索，就拿本文討論的手性填料的關鍵原材料－直鏈淀粉來說，雖然多糖類化合物例如纖維素和直鏈淀粉都是極為常見的物質，市場直鏈淀粉的種類也很多。但是，經過深入研究發現，只有日本一家公司的直鏈淀粉原料可以滿足做手性填料的需求，但其價格超乎一般人的想象，每公斤直鏈淀粉的價格高達60萬元人民幣。并且，非常遺憾的是近些年該直鏈淀粉已經不在中國市場上銷售，這就導致了國內一些做色譜填料的公司和研究團隊面臨著無原料可用的地步，極大程度地影響了科研進展。并且，我們經過研究發現，即使使用該公司供應的直鏈淀粉原材料，做出來手性填料也無法達到前述所提到的這家日本公司的手性填料的分離效果。這就再次證明，關鍵的高科技技術產品，靠買是買不來的，一定要靠國內眾多的科研人員腳踏實地地去研究，一步步突破才行。
從手性分離材料開發的過程中我們可以發現這家日本手性填料公司對上下游產業鏈及其核心原材料的掌控程度達到讓人驚嘆的地步，日本上下游廠家的緊密配合也非常值得我們學習。這也是為什么這么多年其它公司都無法撼動日本這家日本公司在手性材料的壟斷地位的重要原因。有關數據表明，日本制造業一直走在前列，在256個領域擁有全球6成以上份額。2018年全球創新1OO強的企業中，日本有39家。例如成立于1956年的發那科，富士山腳下的黃色巨人，是最大的機器人公司，也是最大的專業數控系統生產廠家，占據了全球70%的*。表面上看，很多日本企業正在退出某些市場，其實是這些企業在轉型升級到更高精尖的領域。日本企業在產品制造過程中上游領域的實力強勁，掌握化工及電子材料、零部件、精密設備及儀器等關鍵產品和技術，占據了產業鏈上游的優勢地位，是毫無爭議的“隱形冠jun”！日本之所以會控制很多產業的關鍵材料和技術不是因為他們比其它國家的人更聰明，而是日本人有足夠的耐心、他們具有堅持不懈的精神及其精益求精的工匠精神，促使他們可以把先進技術做到ji致，這也是我們最該向日本人學習的地方。
月旭科技針對直鏈淀粉這一“卡脖子”難題，立足于手性分離具體的需求進行研發。一開始我們也不斷地質疑自己是否能夠解決該問題，這么多色譜同行都無法解決適合手性填料用直鏈淀粉原材料的問題，憑什么月旭科技就能解決？因為我們這么多年遇到了太多的挫折，也和國內很多zhi名的科研機構和高校進行合作，想著依靠外界的力量克服這一難題，但無一例外都失敗了。最后，實在沒有辦法，我們只能自己一步步的去探索來解決這個難題，雖然我們團隊幾乎沒有人熟悉食品化學領域內的知識，更談不上我們對直鏈淀粉有多么深刻的認知，但是我們的研發團隊本著“笨鳥先飛”的態度，就是想著學習德國、日本這些發達國家的“工匠精神”，一種種實驗方案去試驗、去摸索，最后經過多年的持續努力終于研發出適合做手性材料原料的直鏈淀粉（如圖4所示），說實話看到比較wan美的結果那一刻我們整個研發團隊是懵的，有那么一種強烈的“幸福來得太突然”的感覺！這種經歷也深刻地告訴我們：哪怕是在小小的色譜行業，歐美、日本等發達國家能做好的事情，我們也一定能做好，哪怕是我們笨一點、慢一點，但只要我們堅持不懈，永bu放棄攀登色譜分離材料研究的高峰，就沒啥不可能實現的目標！這個卡脖子難題的克服，也讓我們整個團隊意識到：把一件看似微不足道、很平常的事情做好；把一個很普通的問題實實在在的去解決，就是最大的創新！創新的東西一定要為人類服務，一定要發揮它的價值，真正為國家、為人民做出貢獻。就像前些年我們都熟悉的一個案例：在圓珠筆的制造方面，中國已經成為當之無愧的制筆大國，每年生產幾百億支，但一連串值得驕傲的數字背后，卻是核心技術和材料高度依賴進口，大量的圓珠筆筆頭的“球珠”和“球座體”還需要進口，無論是生產設備還是原材料，長期以來都掌握在瑞士、日本等國家手中。但是，中國的相關行業公司和科研機構經過大量的努力，終于打破了進口的壟斷，取得了巨大的成功！所以，現如今越來越多的案例說明，中國的企業只要立足于科技創新，一個個難題去腳踏實地的克服，我們一定能為祖國的建設添磚加瓦，中華民族一定能實現偉大復興！
圖4：月旭科技開發的手性填料的
核心原材料直鏈淀粉樣品圖
月旭科技之所以能突破直鏈淀粉手性色譜填料的生產技術這一難題，充分證明了持之以恒、堅持不懈的重要性。即使看上去再遙不可及的目標，只要我們本著愚公移山的精神，就有實現的可能，笨一點有什么關系？月旭科技的研發團隊就是憑借這種堅持不懈的精神突破了手性填料用的關鍵原材料直鏈淀粉的產業化制備的“卡脖子”難題，*解決了直鏈淀粉自主供應的問題，并解決了涂覆工藝不均勻、裝柱不穩定等問題，最后生產出高性能的直鏈淀粉手性色譜填料和色譜柱。目前，我們不僅可以提供高性能的直鏈淀粉手性色譜填料，而且可以為有手性制備純化需求的客戶提供全套的解決方案，我們也具備生產毫克級到到公斤級甚至百公斤級的手性填料的生產能力。圖5是月旭科技基于纖維素和直鏈淀粉開發的四種涂覆性的手性分離材料，并以日本進口公司的質檢標準進行測試，其分離性能基本接近日本公司的分離性能，其分離度達到了18-20（以反-二苯乙烯氧化物 ，trans-Stilbene oxide為例），其拆分效果的色譜圖如圖6所示。圖7是月旭手性色譜柱應用于一些手性化合物拆分的分離效果圖譜，從圖中可以明顯看出具有優異的分離效果，均實現了基線分離。
