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微反应技术在纳米药物载体制备应用

2021-02-24 17:22:57

微流控技术及其在聚合物纳米粒、脂质纳米粒和杂化纳米粒等纳米药物载体制备中的应用

纳米技术在制药医学领域迅速发展,其利用纳米载体结构包裹或吸附特定的药物(如活性小分子、蛋白大分子、疫苗等)形成的纳米载药系统,可以调控释药速度,防止药物过早释放,增加细胞摄取,改变其在体内的分布,改善生物利用度,以提高药物的安全性、有效性和临床价值

目前,纳米药物载体颗粒的制备方法主要有材料自组装法、纳米沉淀法、溶剂蒸发法等。但这些技术普遍缺乏在宏观水平上的精确控制,导致纳米颗粒结构不一致,粒径分布较宽,步骤复杂,批次间重现性和纳米封装过程的可扩展性较差,以及质量控制较难等。同时,制备所得的纳米药物面临无法进行体外预筛选实验以及不能扩大至工业生产的挑战。因此,发现高效精准的纳米颗粒制备方法和质量控制标准具有非常重要的意义。

微流控技术的出现为纳米药物载体的制备提供了一个很好的思路和途径。一方面,微流控技术操控下的流体具有独特的性质,如层流和液滴等,借助这些独特的流体现象,可以实现一系列常规方法难以完成的微粒加工,包括流体混合增

强和精准控制的纳米结构组装;另一方面,与常规方法相比,该技术利用微流体精准的流体控制,合成的粒子形貌结构均一、粒径分布均匀,且批次质量重复可控。通过高通量方式可实现高度可控、重现性高、可扩展的纳米结构化合物制备手段,因此为纳米药物载体的临床转化提供了良好的前景。

由于微尺度流体在层流状态下出现流动阻力大和分子扩散现象,液体间不容易混合,在完全融合前会出现并排流动现象。因此,针对微流体的特性,微流控反应器必须经过特定的设计来减少流体扩散路径长度并增加流体之间的接触面积,最终实现快速混合。最广泛应用的微流控合成器是基于流体扩散,通过调节流速和通道长度等控制载体材料和药物分子之间的反应。

纳米材料作为药物递送的载体具有毒性小、生物利用度高、成本低等优点,已经被广泛应用。目前,常用的纳米药物载体有脂质纳米粒Lipid Nanoparticles (LNPs)、聚合物胶束、聚合物纳米粒、无机纳米粒等,但传统制备方法由于不能做到对宏观流体的精准调控,普遍存在工艺过程繁琐、批次重复性差、所得纳米粒粒径分布不均一且范围较宽和药物负载率较低等问题。

微流控技术通过对流体流速、流速比和流量的精确控制以及设计不同的微流控通道可使不同液体充分混合反应,且制备得到的纳米颗粒在粒径分布和大小、批次间重复性和药物负载率方面都有显著改善。根据不同的微流控装置,微流

控制备纳米药物载体的方法通常可分为流动聚焦法(flow focusing)、微涡流法 microvortise)、混沌流法 chaoticflow)、滴液法(droplet-based approach)等。

聚合物纳米粒的制备

具有稳定结构作用的聚合物材料广泛应用于纳米药物载体颗粒领域。例如,基于聚乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)的纳米载药材料可包裹疏水或亲水药物且有良好的生物相容性和生物降解性,已处于临床阶段或被FDA批准上市。聚合物纳米粒的传统制备方法产生的颗粒粒径较难控制或存在絮凝现象,且不利于药物形成有规律的结晶状,导致纳米颗粒理化性质易变。

图1、交错人字形微混合器(SHM)示意图

1、交错人字形微混合器(SHM)示意图

Enrica等交错人字形微混合器(SHM,staggered herringbone micromixer)制备了包裹亲水性药物N乙酰半胱氨酸的PLGA纳米粒。运用微流控技术辅助的纳米沉淀方法,得到了粒径在100~900nm内的纳米粒子,且分散系数在 0.0610.286之间。此外,他们通过调整总流速(TFR)、流速比(FRR)以及药物与聚合物的比值,实现了较为满意的N乙酰半胱氨酸包封效率(大于67%)和较长的药物释放时间(168h)。Yoshinori等利用该微混合器系统将姜黄素包封到PLGA纳米粒中,制得平均粒径为200nm的单分散小聚合物纳米粒。之后,他们将PEG修饰的PLGA混入到PLGA纳米粒,发现其减小了载药聚合物颗粒尺寸并提高了包封效率。Kathrink等同样微混合器系统制备了不同壳核比的PLGA PLA PEG多组分聚合物纳米粒,通过改变微流体参数(如总流速、流速比)调整了颗粒尺寸并进一步改善了尺寸分布。与传统的纳米沉淀方法相比,发现使用微流控装置制备的纳米颗粒尺寸(24~43nm)比传统方法(52~65nm)明显变小,且颗粒分散系数降低。Miaorong等利用该系统通过调节总流速从215ml/min,得到了粒径范围在50160nm之间均匀稳定的PLGA纳米粒。因此得出微流控技术不仅能够精确调节

粒度并改善了粒径分布,而且实现了具有精确可调质量可控的多组分纳米颗粒的可再现和可扩展的制造。

聚合物胶束的制备

两亲性嵌段物可在选择性溶剂中自组装形成的聚合物胶束,其核心区域的疏水片段聚集区可包裹疏水性药物(如大多数抗癌药物),从而增加水性分散性和生物利用度。由于聚合物的嵌段比例易于调整且表面易修饰,聚合物胶束在缓释控制、药物载体方面被广泛应用。相比较于传统自组装方法(如直接水溶法和溶剂诱导法),微流控技术可以简单地通过改变微流控水动力条件实现对自组装产物尺寸及结构的控制。

在微流控技术制备聚合物胶束中,影响组装过程的因素包括分子间作用力和剪切力,在气液两相界面处产生较高的剪切作用力容易发生分子片段间的碰撞和聚集,形成动力学稳定的纳米胶束。通过比较不同的制备方法,这些发现为设计微流控混合器提供新的思路,为合成尺度结构可控、粒径均一的功能性聚合物胶束提供更多的方法。

脂质纳米粒的制备

由脂质双层膜包围的水性核心的纳米级脂质体可以装载疏水性或亲水性药物分子,被广泛应用于药物递送系统(DDS)领域。传统的脂质体纳米粒制备方法,如薄膜水合法、乙醇注射法等,制备时间长,难以获得相对单分散产物,且操作复杂,需要大量昂贵药物或核酸确保包封足够。而运用微流控技术能够克服传统方法的弊端。在微流控制备脂质体纳米粒中,流速、流速比、混合速度和脂质浓度都是控制颗粒粒径的重要参数。

与常规多步制备法(bulk-method,BM)相比,最近报道的利用微流体聚焦(microfluidic focusing,MF)单步骤方法制备脂质纳米粒具有更可控、重复性和负载率更高的优势。Li等制备了具有S形通道人字形结构的微混合器,利用微流体聚焦一步合成转铁蛋白-脂质-siRNA纳米粒。同时,他们在颗粒特性、生物学效应和肿瘤抑制方面与常规多步制备法进行对比发现,微流控所得纳米粒粒径更小更均一,细胞摄取效率和基因沉默效率更高,而且抑癌效果也明显优于BM所得的纳米粒(抑癌效率分别为60.4%和14%)。微流控技术得到的粒径与结构更均一的脂质-核酸纳米粒,在体内体外具有更高的核酸递送效率,可以明显改善粒子的生物学效应。

无机纳米粒的制备

无机纳米粒子由于其独特的理化学性质、可用多种方法合成、易于表面功能化修饰和优良的生物相容性而在生物医学领域的癌症治疗中引起广泛的研究。无机粒子在没有固体界面的情况下形成,一般分为 3个步骤:成核、生长(初级生长)和老化(二次生长),常规方法因条件限制无机纳米粒容易聚集增大,而运用微流控合成方法能对形成过程更精确地控制颗粒大小,同时达到材料消耗最小化。

He等选用了单相连续流微反应器(CFMR)和气液两相分段流微反应器(SFMR),使用聚乙烯亚胺聚合物作为成核催化剂,通过在微反应器中连续水解、缩合四甲氧基硅烷,二氧化硅纳米粒子在室温下快速沉淀。最后两种微流体装置都获得了颗粒尺寸分布非常窄的二氧化硅纳米粒,且由于在SFMR条件下消除了轴向分散效应,其产生的纳米粒尺寸更小质量更好。此外,通过微流体技术还制备了CdS、二氧化锌等金属氧化物、无机钙钛矿纳米晶等纳米粒,在医疗技术和载药系统领域都有广阔的应用价值。

蛋白类纳米粒

随着新型药物递送系统的发展,天然生物分子蛋白质由于其生物相容性、生物降解性、抵抗原性和高生物活性等特性,是药物制剂中常用的合成聚合物替代品。蛋白质的相对分子质量、构象、疏水性和理化性质都取决于多肽链上氨基

酸的序列,它们的功能属性可以通过物理化学方法或酶促修饰来调节,这些修饰可以用于制造基于蛋白质的微粒。通常,蛋白质类纳米颗粒的制备方法包括去溶剂化、凝聚相分离、乳化溶剂蒸发等,但是仍面临其批次间变化大 、颗粒大小和形状难以控制、工艺复杂等挑战。

Sun等利用自主设计的倒 W形微流控芯片,将含有卡巴他赛、人血清白蛋白的有机溶剂按一定比例以45μL/min从中间入口注入芯片,将加热的去离子水以 450μL/min从两边入口进入,在通道中混合后,由连接管接出溶液经冰水浴快速降温,得到高载药量且稳定均一的载药白蛋白纳米颗粒,分散系数均小于0.1。与传统方法相比,药物包封率提高了64%,载药率提高了1.74倍,由此可知利用微流控方法能更好的控制纳米粒质量。Wang等运用液滴法在毛细管微流控装置中将10%的明胶甲基酸酯水溶液作为预聚物相,含0.5Span80的矿物油作为中间油相,在连续相中使用5PVA水溶液,制备具有超薄油层的单分散双乳剂滴注,再将其暴露在紫外线照射最终得到稳定的单分散微明胶。Liu等利用流动聚焦微流体装置,将丝纤蛋白溶液作为分散相,95%葵花籽油和5Span80混合溶液作为连续相,通过高精度微流体压力控制快速生成装载有辣根过氧化酶的稳定均质油包水型丝素蛋白微滴,并且可以调节连续相和分散相的压力比来控制微滴大小。微流控技术可以形成单分散微滴且可大大提高蛋白质微粒的稳定性,为开发性能更好的蛋白质类纳米粒提供了新的方法。

杂化纳米粒的制备

杂化纳米粒子中包含两个或多个不同的纳米粒子,这些纳米粒子组装后仍具有纳米级尺寸的功能结构,以达到其医疗效果优于单组分的简单混合物的目的

。然而,杂化纳米颗粒制备工艺随粒子结构的复杂性而变得更为繁琐,可控性也随之变差。通过微流控技术增强流体混合以及精确控制流体,可以显著改善杂化纳米粒组装过程中对亲疏水性和电荷相互作用的依赖,有效提升流体在粒子组装中的作用,进而达到颗粒结构高度可控的目的。

脂质-聚合物纳米粒杂化脂质纳米粒的结构通常是以聚合物为内核,外壳包裹脂质层,组成核壳型结构。其在生物相容性、结构稳定性和药物释放可控性方面都有所改善,成为近年来药物递送系统的研究热点。常规工艺制备杂化脂质纳米粒具有结构不可控、负载率低等缺点,应用微流控技术可以快速得到结构尺寸可控的纳米粒。

有机-无机杂化纳米粒有机-无机杂化纳米粒通常是与无机纳米级结构单元结合的有机聚合物。无机材料与有机聚合物的组合兼具两者的性能,如高刚性、热稳定性和可加工性等,且特殊的结构可以增加纳米粒的壳强度并可避免较大分子渗入或渗出颗粒。

随着微流控技术的发展,其在纳米药物输送领域的应用越来越受到重视,微流控技术在纳米药物载体的制备也更加完善。在制备聚合物纳米粒、脂质纳米粒和杂化纳米粒等药物载体中,由于微流控技术运用的独特流体性能和可控的微

反应装置,明显可以看出其具备许多优势:

一是有利于制备颗粒粒径分布均一、尺寸较小、高度稳定的纳米粒;

二是通过改变流体特性参数,可精确控制颗粒的理化性质如颗粒尺寸、大小以及药物组成和药动学等;

三是反应更简单易控制,制备时间大大缩减,提高合成的可重复性,减小批次间差异等。


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