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突破性技術(shù):微流體聚焦技術(shù)助力高效、可調(diào)大小脂質(zhì)體的批量生產(chǎn)

突破性技術(shù):微流體聚焦技術(shù)助力高效、可調(diào)大小脂質(zhì)體的批量生產(chǎn)

編輯日期:2023年9月16日

微流體技術(shù)是一種在微米尺度下控制流體流動和反應(yīng)的技術(shù),它通過將微量流體引導(dǎo)到狹窄的微通道反應(yīng)器中進行快速混合和反應(yīng),以實現(xiàn)高精度和高效率的合成操作。在過去的幾年中,微流體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,特別是在藥物輸送和納米醫(yī)學(xué)方面,它可以用來制造大小均一、尺寸可控的納米藥物載體,如脂質(zhì)體。

脂質(zhì)體是一種由磷脂雙分子層構(gòu)成的球形或橢球形藥物載體,可以將藥物包裹在其內(nèi)部或外部,并通過與細胞膜融合的方式將藥物輸送至目標(biāo)細胞。在納米藥物載體的制備中,對脂質(zhì)體大小的精準(zhǔn)控制是至關(guān)重要的。這是因為脂質(zhì)體的尺寸不僅影響其藥效,還對其在體內(nèi)的行為有著決定性的影響。盡管已經(jīng)廣泛探索了各種能夠制備大小可調(diào)的脂質(zhì)體的微流體技術(shù),但將這些微流體平臺進行擴大化生產(chǎn),同時不犧牲尺寸控制的挑戰(zhàn)仍然存在。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),美國馬里蘭大學(xué)機械工程系DonL.DeVoe團隊提出了一種名為“微流體聚焦(Microfluidic Vortex Focusing)”的技術(shù)。這項技術(shù)受水力旋流器的工作原理啟發(fā),重新設(shè)計了一種新型的小型微流控裝置。該裝置主要通過在微流體通道中建立一個軸對稱流場的強渦旋流,將脂質(zhì)同時聚集在一起,并誘導(dǎo)快速對流和擴散混合。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的緩沖液和脂質(zhì)流速,這項技術(shù)可以實現(xiàn)脂質(zhì)體大小的控制,并生成大小均一、尺寸范圍在0.25-1.0mm之間的脂質(zhì)體。該微流體聚焦技術(shù)不僅可以制備出具有精確控制尺寸和低尺寸方差的脂質(zhì)體,并且可以連續(xù)操作直至達到層流流動限制,從而實現(xiàn)高生產(chǎn)量的脂質(zhì)體生產(chǎn)。

圖1:顯示進料口和出料口的3D打印微流體裝置。對比增強的微CT成像揭示了流體接合處的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其中溶劑化的脂質(zhì)被注入到水性緩沖液的旋轉(zhuǎn)流中。

這項技術(shù)的優(yōu)勢在于,它提供了一種可靠的途徑來制備尺寸小至27納米的脂質(zhì)體,并且生產(chǎn)速率超過20克/小時。這為使用單一直流渦旋聚焦設(shè)備進行大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。相較于傳統(tǒng)的微流體技術(shù),該方法在保持高生產(chǎn)吞吐量的同時,實現(xiàn)了良好的脂質(zhì)體大小控制,從而提高了生產(chǎn)效率。

圖2: (左)用于渦旋形成和流動聚焦的微流體結(jié)構(gòu)示意圖(mm);微流體裝置設(shè)計包括兩個在環(huán)形接頭處匯合的入口,一個圓錐形混合區(qū)域以及一個出口。C環(huán)形接頭的放大視圖。(右)使用流體動力學(xué)聚焦和微流體漩渦聚焦條件下的數(shù)值模擬,模擬流體的動態(tài)和乙醇濃度分布。

脂質(zhì)體作為納米藥物載體在癌癥、傳染病、免疫調(diào)節(jié)、疫苗輸送等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這種新的微流體聚焦技術(shù)為脂質(zhì)體的制備提供了一種新的途徑,使其在藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。