微流控技术在PLGA纳米粒子合成中的应用

前言

聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)纳米粒子在生物医学领域，尤其是药物输送方面具有重要的应用价值。这些聚合物纳米粒子获得了美国食品和药物管理局(FDA)的批准，并因其生物兼容性和生物降解性而受到重视。PLGA可以与其不同比例的单体乳酸和乙醇酸聚合，从而调节聚合物的疏水性和稳定性。例如，乳酸的比例越高，PLGA的疏水性越强，在水中降解的时间就越长。

图1.PLGA及其单体的化学式

最常见的PLGA纳米粒子的制备方法有两种：单乳液法或复乳液法(又称溶剂挥发法)和纳米沉淀法。对于溶剂挥发方法，例如单乳液制备，纳米颗粒是在将含有聚合链的有机相乳化到水溶液中然后蒸发有机溶剂后生成的。
复乳法更适合于包埋亲水性药物，因为它们是基于水包油乳状液。例如，纳米沉淀法包括将含有PLGA聚合链的水可混溶溶剂注入水相，通常是水和表面活性剂的溶液。
一般来说，这些方法生产的大多是多分散的球形纳米颗粒，其大小分布通常在150-300 nm之间。包封率和载药量是药物输送应用的两个重要参数。研究表明，常规方法的包封率较低(乳液法除外)，载药量较低。微流体为聚合物微纳米粒子的合成以及无机纳米粒子的合成提供了一种非常有趣的替代方法。本文主要介绍了聚合物PLGA纳米粒子的研究进展，并对微流控合成纳米粒子的研究进展进行了综述。微流控系统充当微反应器，允许精确调整PLGA纳米颗粒的尺寸，提供更窄的尺寸分布，并减少试剂消耗和废物产生。另一个优点是，它可以减少对用户的依赖，并减少批次之间的可变性。在微流控领域，PLGA纳米颗粒的本体合成技术可适用于液滴体系(主要用于乳液法)或连续层流体系(主要用于纳米沉淀法)。

纳米粒子形成物理学

图2.纳米沉淀过程中的各个阶段

为了设计用于制备PLGA纳米颗粒的微流控芯片，人们需要了解纳米颗粒形成的基本原理和反应中涉及的参数。一般来说，纳米颗粒的合成可以通过两种不同的方法来实现：“自上而下”和“自下而上”。溶剂挥发法和纳米沉淀法都是自下而上的方法，因为它们从原子/分子水平开始形成自组装纳米颗粒。PLGA纳米颗粒的沉淀或“自组装”如图2所示。它分为三个主要阶段：成核(I)、生长(II)和纳米颗粒形成(III)。成核始于聚合物前驱体集中在一种被称为过饱和的阈值以上的溶剂中。为了达到这一条件，将有机溶剂中的前体放入水相中，并通过密集的混合(通过扩散和/或对流)使聚合物链彼此足够接近，从而开始沉淀。在成核阶段之后，在生长阶段，更多的聚合物被添加到纳米颗粒种子中。为了确保较窄的尺寸分布，生长和形核在时间上分开是非常重要的。如果一些纳米粒子在其他纳米粒子已经生长的时候成核，那么当反应停止时，它们将具有不同的尺寸。值得注意的是，在微流体中，这两个阶段也可以在空间上分开，因为生长可以发生在芯片中比成核点更下游的地方。当形成稳定的纳米颗粒并完成生长阶段时，就达到了最后一步。这可以通过添加一种试剂来抑制反应或在达到平衡时(在这种情况下，如果纳米颗粒不稳定，就有结块的风险)。PLGA纳米粒子需要通过向溶液中添加表面活性剂、配体或离子来稳定。这样就可以很容易地调整它们的表面化学成分。或者，也可以使用具有作为表面活性剂的亲水性末端的嵌段共聚物(例如，PLGA-PEG)。

图3.PLGA在微通道中的纳米沉淀示例

在这一过程中，最关键的参数是混合时间tMix。通常通过提高温度和使用磁力搅拌器来加强混合。混合在溶液中不会是均匀的，这将取决于搅拌器的大小和位置。在微流体中，已经开发出不同的混合策略或“微混合器”。在流动聚焦装置中，混合时间可以使用以下公式计算：

式中，w为微通道宽度，D为有机溶剂的扩散系数，R为有机相流速与水相流速之比。除了芯片的几何形状外，流速比在决定混合时间以及纳米颗粒的大小方面也起着至关重要的作用。温度将主要影响PLGA纳米粒子的扩散速度，但这一参数对微流控合成PLGA纳米粒子的重要性尚未见报道。因此，控制微流控芯片内部的流动是必不可少的。

制造方法

在芯片上制造PLGA纳米颗粒有许多不同的设计。从理论上讲，任何材料都可以用于芯片，只要它与所使用的溶剂在化学上是兼容的。这篇综述不会涉及芯片制造的细节，因为用于微流控器件的材料已经有了完整的综述。相反，重点将放在两个战略上：流体动力聚焦和毛细管装置。基于液滴的微流体更适合于聚合物微粒的生产(范围从1-100微米)或乳化液为基础的方法，这将在毛细管装置部分进行简要描述。

图4.一种简单的2D流体动力聚焦装置的设计

这是在连续层流系统中生产聚合物纳米颗粒的最有效但最简单的方法之一。在这种构型中，如图4和图5所示，聚乳酸聚合物溶解在可溶于水的有机溶剂(丙酮、乙腈、二甲基亚砜等…)中。以及药物或无机成分被包裹在纳米颗粒中。该溶液在中央微通道内注入泵，例如注射泵或OB1流量控制器。在十字形连接处，水和表面活性剂的溶液从垂直于中心微通道的两侧被注入微通道。当水的流量大于有机相的流量时，有机相的流量集中在交界处，混合时间大大缩短。由于PLGA不溶于水，当有机相扩散到水中时，它会开始沉淀。

图5.使用微流控装置将药物包裹在PLGA纳米粒中的图示

到目前为止，已经描述了流体动力聚焦的二维设计，但也已经构建了三维构型。他们的设计，加上使用PLGA-PEG聚合物作为前体，允许制造非常小的PLGA纳米颗粒(13 Nm)。与制造相同尺寸的无机纳米粒子相比，制造小于30 nm的聚合物纳米粒子是非常困难的。

毛细管装置

图6.3D同轴毛细管器件原理图

毛细管装置可以用于不同的目的，从制作简单的流体动力聚焦接头到复杂的双乳化系统。刘等人报道了一种用玻璃毛细管制作的装置，可以获得3D同轴流。该系统如图6所示，由于在内毛细管的输出端产生微涡，因此确保了更好的传质效果，从而缩短了混合时间。以水和表面活性剂的混合物为内流体，有机相中的聚合物前驱体为外流体。与传统方法相比，他们成功地获得了单分散的聚合物纳米粒子(PLGA、壳聚糖和葡聚糖)，具有较高的载药量(~6%)和包封率(~90%)。这主要是因为前驱体和水之间的流量比是固定的。他们还报告说，每天的生产率提高了几百克。另一项有趣的研究展示了一种带有同轴玻璃毛细管的微流控平台，可以从微滴中制备载药的PLGA纳米颗粒。在这里，作者使用2种溶剂的混合物，DMSO(水可混溶)和DCM(水不混溶)作为分散相，以制备带有PLGA聚合物和药物包囊的微滴。DMSO在内部毛细管端集中流动后，在外部流体的水相中迅速扩散，由于较高的界面张力，射流破裂成液滴。然后，PLGA纳米粒子能够在缩小的液滴中成核和生长，直到剩下的所有DMSO和DCM在水中扩散，纳米粒子被释放出来。

药物输送应用

微流控技术具有广泛的应用前景，尤其是在生物医学领域。它可以作为一种将大量药物包裹在PLGA纳米粒中的方法，因此可以成为药物输送应用的强大工具。为了将纳米粒转化到临床，需要满足某些标准：它们必须是生物相容的、可生物降解的、在短时间内生产足够大的量(用于体内研究和临床试验)、表现出低批次间的可变性以及具有适当的药物装载/释放行为。微流控技术的一大优势是，它允许保持连续的反应，从而克服了批量方法中出现的批次之间重复性降低的问题。不同的药物，如紫杉醇、姜黄素或阿霉素已成功地通过微流控技术包裹到PLGA纳米粒中。由于与块状方法相比，微流控系统中的反应时间大大缩短，因此人们可以很容易地制备出具有不同表面化学成分的纳米粒子集(例如，通过使用不同的表面活性剂)，并找到适合药物输送应用的最佳组合。Poller等人也进行了类似的研究。评价白蛋白对PLGA纳米粒合成的影响。图7显示了在三维同轴流结构中，以块状或微流控方式制备的PLGA纳米颗粒的主要区别。微流控法制备的PLGA纳米粒的单分散性、载药度和包封率均有显著提高。

图7.微流控纳米沉淀法批量生产的PLGA纳米颗粒的表征

挑战与机遇

提高PLGA纳米粒子的产率。
在实施微流控系统以有效生产纳米颗粒之前，剩余的一大挑战是生产率低。事实上，对于大多数高效生产PLGA纳米颗粒的微流控设备来说，每天产生的量约为克。尽管这对体外研究来说已经足够了，但体内研究所需的纳米颗粒数量要多得多。在建议的解决方案中，既可以增加系统中的总流量(直到达到由雷诺数决定的某个阈值)，也可以将设备并行化，或者同时进行这两种操作。对于流体动力聚焦，2D十字形设计将适合几个装置的并行化，3D流体动力聚焦装置的并行化也已有文献。

降低芯片到芯片的变异性。
目前，PDMS仍然是微流控芯片制造中最常用的材料。这归功于它的许多优点，包括光学透明性、灵活性和低成本。然而，PDMS芯片制造的一个重要缺点是它涉及手工和依赖于制造商的制造步骤。这可能是芯片之间变异性的一个来源。例如，每次对进气孔的手动冲压可能略有不同，这对于3D流体动力聚焦设备来说尤其成问题，因为进气孔的横向位置对流动模式有很大影响，从而产生纳米颗粒。为了解决这个问题，一些集团在模具制造中采用了用于入口和出口的SU-8立柱，从而避免了手动打孔。

避免PLGA纳米颗粒粘在通道壁上。
使用微流体和聚合物纳米颗粒时的另一个挑战是限制微通道壁上的疏水相互作用。这可能会导致通道堵塞、颗粒丢失，并使芯片无法使用。3D流体动力聚焦装置、同流毛细管装置和基于液滴的系统解决了这个问题。然而，在芯片材料上也需要给予关注。PDMS与一些有机溶剂如二氯甲烷不相容。它会导致PDMS的膨胀和纳米颗粒在材料内部的吸收。由于溶剂-聚合物对是影响纳米颗粒产物的重要因素，因此在优化微流控平台时也应考虑该材料。

总结

PLGA纳米颗粒已被广泛用作药物、蛋白质或多肽的生物相容性纳米载体。传统的制备方法适合于大规模生产，但缺乏可控性和重复性。因此，微流控领域一直致力于制备高通量、单分散性和重复性好的PLGA纳米粒子。流体动力聚焦和毛细管装置的设计及其在药物输送领域中的应用已被提出。现在正在努力改进微流控系统，提高纳米颗粒的生产速度，并将其转化为临床研究。