前言

聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是藥物輸送方面具有重要的應(yīng)用價值。這些聚合物納米粒子獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn)，并因其生物兼容性和生物降解性而受到重視。PLGA可以與其不同比例的單體乳酸和乙醇酸聚合，從而調(diào)節(jié)聚合物的疏水性和穩(wěn)定性。例如，乳酸的比例越高，PLGA的疏水性越強，在水中降解的時間就越長。

圖1.PLGA及其單體的化學(xué)式

最常見的PLGA納米粒子的制備方法有兩種：單乳液法或復(fù)乳液法(又稱溶劑揮發(fā)法)和納米沉淀法。對于溶劑揮發(fā)方法，例如單乳液制備，納米顆粒是在將含有聚合鏈的有機相乳化到水溶液中然后蒸發(fā)有機溶劑后生成的。
復(fù)乳法更適合于包埋親水性藥物，因為它們是基于水包油乳狀液。例如，納米沉淀法包括將含有PLGA聚合鏈的水可混溶溶劑注入水相，通常是水和表面活性劑的溶液。
一般來說，這些方法生產(chǎn)的大多是多分散的球形納米顆粒，其大小分布通常在150-300 nm之間。包封率和載藥量是藥物輸送應(yīng)用的兩個重要參數(shù)。研究表明，常規(guī)方法的包封率較低(乳液法除外)，載藥量較低。微流體為聚合物微納米粒子的合成以及無機納米粒子的合成提供了一種非常有趣的替代方法。本文主要介紹了聚合物PLGA納米粒子的研究進(jìn)展，并對微流控合成納米粒子的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。微流控系統(tǒng)充當(dāng)微反應(yīng)器，允許精確調(diào)整PLGA納米顆粒的尺寸，提供更窄的尺寸分布，并減少試劑消耗和廢物產(chǎn)生。另一個優(yōu)點是，它可以減少對用戶的依賴，并減少批次之間的可變性。在微流控領(lǐng)域，PLGA納米顆粒的本體合成技術(shù)可適用于液滴體系(主要用于乳液法)或連續(xù)層流體系(主要用于納米沉淀法)。

納米粒子形成物理學(xué)

圖2.納米沉淀過程中的各個階段

為了設(shè)計用于制備PLGA納米顆粒的微流控芯片，人們需要了解納米顆粒形成的基本原理和反應(yīng)中涉及的參數(shù)。一般來說，納米顆粒的合成可以通過兩種不同的方法來實現(xiàn)：“自上而下”和“自下而上”。溶劑揮發(fā)法和納米沉淀法都是自下而上的方法，因為它們從原子/分子水平開始形成自組裝納米顆粒。PLGA納米顆粒的沉淀或“自組裝”如圖2所示。它分為三個主要階段：成核(I)、生長(II)和納米顆粒形成(III)。成核始于聚合物前驅(qū)體集中在一種被稱為過飽和的閾值以上的溶劑中。為了達(dá)到這一條件，將有機溶劑中的前體放入水相中，并通過密集的混合(通過擴散和/或?qū)α?使聚合物鏈彼此足夠接近，從而開始沉淀。在成核階段之后，在生長階段，更多的聚合物被添加到納米顆粒種子中。為了確保較窄的尺寸分布，生長和形核在時間上分開是非常重要的。如果一些納米粒子在其他納米粒子已經(jīng)生長的時候成核，那么當(dāng)反應(yīng)停止時，它們將具有不同的尺寸。值得注意的是，在微流體中，這兩個階段也可以在空間上分開，因為生長可以發(fā)生在芯片中比成核點更下游的地方。當(dāng)形成穩(wěn)定的納米顆粒并完成生長階段時，就達(dá)到了最后一步。這可以通過添加一種試劑來抑制反應(yīng)或在達(dá)到平衡時(在這種情況下，如果納米顆粒不穩(wěn)定，就有結(jié)塊的風(fēng)險)。PLGA納米粒子需要通過向溶液中添加表面活性劑、配體或離子來穩(wěn)定。這樣就可以很容易地調(diào)整它們的表面化學(xué)成分?；蛘撸部梢允褂镁哂凶鳛楸砻婊钚詣┑挠H水性末端的嵌段共聚物(例如，PLGA-PEG)。

圖3.PLGA在微通道中的納米沉淀示例

在這一過程中，最關(guān)鍵的參數(shù)是混合時間tMix。通常通過提高溫度和使用磁力攪拌器來加強混合。混合在溶液中不會是均勻的，這將取決于攪拌器的大小和位置。在微流體中，已經(jīng)開發(fā)出不同的混合策略或“微混合器”。在流動聚焦裝置中，混合時間可以使用以下公式計算：

式中，w為微通道寬度，D為有機溶劑的擴散系數(shù)，R為有機相流速與水相流速之比。除了芯片的幾何形狀外，流速比在決定混合時間以及納米顆粒的大小方面也起著至關(guān)重要的作用。溫度將主要影響PLGA納米粒子的擴散速度，但這一參數(shù)對微流控合成PLGA納米粒子的重要性尚未見報道。因此，控制微流控芯片內(nèi)部的流動是必不可少的。

制造方法

在芯片上制造PLGA納米顆粒有許多不同的設(shè)計。從理論上講，任何材料都可以用于芯片，只要它與所使用的溶劑在化學(xué)上是兼容的。這篇綜述不會涉及芯片制造的細(xì)節(jié)，因為用于微流控器件的材料已經(jīng)有了完整的綜述。相反，重點將放在兩個戰(zhàn)略上：流體動力聚焦和毛細(xì)管裝置?；谝旱蔚奈⒘黧w更適合于聚合物微粒的生產(chǎn)(范圍從1-100微米)或乳化液為基礎(chǔ)的方法，這將在毛細(xì)管裝置部分進(jìn)行簡要描述。

圖4.一種簡單的2D流體動力聚焦裝置的設(shè)計

這是在連續(xù)層流系統(tǒng)中生產(chǎn)聚合物納米顆粒的最有效但最簡單的方法之一。在這種構(gòu)型中，如圖4和圖5所示，聚乳酸聚合物溶解在可溶于水的有機溶劑(丙酮、乙腈、二甲基亞砜等…)中。以及藥物或無機成分被包裹在納米顆粒中。該溶液在中央微通道內(nèi)注入泵，例如注射泵或OB1流量控制器。在十字形連接處，水和表面活性劑的溶液從垂直于中心微通道的兩側(cè)被注入微通道。當(dāng)水的流量大于有機相的流量時，有機相的流量集中在交界處，混合時間大大縮短。由于PLGA不溶于水，當(dāng)有機相擴散到水中時，它會開始沉淀。

圖5.使用微流控裝置將藥物包裹在PLGA納米粒中的圖示

到目前為止，已經(jīng)描述了流體動力聚焦的二維設(shè)計，但也已經(jīng)構(gòu)建了三維構(gòu)型。他們的設(shè)計，加上使用PLGA-PEG聚合物作為前體，允許制造非常小的PLGA納米顆粒(13 Nm)。與制造相同尺寸的無機納米粒子相比，制造小于30 nm的聚合物納米粒子是非常困難的。

毛細(xì)管裝置

圖6.3D同軸毛細(xì)管器件原理圖

毛細(xì)管裝置可以用于不同的目的，從制作簡單的流體動力聚焦接頭到復(fù)雜的雙乳化系統(tǒng)。劉等人報道了一種用玻璃毛細(xì)管制作的裝置，可以獲得3D同軸流。該系統(tǒng)如圖6所示，由于在內(nèi)毛細(xì)管的輸出端產(chǎn)生微渦，因此確保了更好的傳質(zhì)效果，從而縮短了混合時間。以水和表面活性劑的混合物為內(nèi)流體，有機相中的聚合物前驅(qū)體為外流體。與傳統(tǒng)方法相比，他們成功地獲得了單分散的聚合物納米粒子(PLGA、殼聚糖和葡聚糖)，具有較高的載藥量(~6%)和包封率(~90%)。這主要是因為前驅(qū)體和水之間的流量比是固定的。他們還報告說，每天的生產(chǎn)率提高了幾百克。另一項有趣的研究展示了一種帶有同軸玻璃毛細(xì)管的微流控平臺，可以從微滴中制備載藥的PLGA納米顆粒。在這里，作者使用2種溶劑的混合物，DMSO(水可混溶)和DCM(水不混溶)作為分散相，以制備帶有PLGA聚合物和藥物包囊的微滴。DMSO在內(nèi)部毛細(xì)管端集中流動后，在外部流體的水相中迅速擴散，由于較高的界面張力，射流破裂成液滴。然后，PLGA納米粒子能夠在縮小的液滴中成核和生長，直到剩下的所有DMSO和DCM在水中擴散，納米粒子被釋放出來。

藥物輸送應(yīng)用

微流控技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。它可以作為一種將大量藥物包裹在PLGA納米粒中的方法，因此可以成為藥物輸送應(yīng)用的強大工具。為了將納米粒轉(zhuǎn)化到臨床，需要滿足某些標(biāo)準(zhǔn)：它們必須是生物相容的、可生物降解的、在短時間內(nèi)生產(chǎn)足夠大的量(用于體內(nèi)研究和臨床試驗)、表現(xiàn)出低批次間的可變性以及具有適當(dāng)?shù)乃幬镅b載/釋放行為。微流控技術(shù)的一大優(yōu)勢是，它允許保持連續(xù)的反應(yīng)，從而克服了批量方法中出現(xiàn)的批次之間重復(fù)性降低的問題。不同的藥物，如紫杉醇、姜黃素或阿霉素已成功地通過微流控技術(shù)包裹到PLGA納米粒中。由于與塊狀方法相比，微流控系統(tǒng)中的反應(yīng)時間大大縮短，因此人們可以很容易地制備出具有不同表面化學(xué)成分的納米粒子集(例如，通過使用不同的表面活性劑)，并找到適合藥物輸送應(yīng)用的最佳組合。Poller等人也進(jìn)行了類似的研究。評價白蛋白對PLGA納米粒合成的影響。圖7顯示了在三維同軸流結(jié)構(gòu)中，以塊狀或微流控方式制備的PLGA納米顆粒的主要區(qū)別。微流控法制備的PLGA納米粒的單分散性、載藥度和包封率均有顯著提高。

圖7.微流控納米沉淀法批量生產(chǎn)的PLGA納米顆粒的表征

挑戰(zhàn)與機遇

提高PLGA納米粒子的產(chǎn)率。
在實施微流控系統(tǒng)以有效生產(chǎn)納米顆粒之前，剩余的一大挑戰(zhàn)是生產(chǎn)率低。事實上，對于大多數(shù)高效生產(chǎn)PLGA納米顆粒的微流控設(shè)備來說，每天產(chǎn)生的量約為克。盡管這對體外研究來說已經(jīng)足夠了，但體內(nèi)研究所需的納米顆粒數(shù)量要多得多。在建議的解決方案中，既可以增加系統(tǒng)中的總流量(直到達(dá)到由雷諾數(shù)決定的某個閾值)，也可以將設(shè)備并行化，或者同時進(jìn)行這兩種操作。對于流體動力聚焦，2D十字形設(shè)計將適合幾個裝置的并行化，3D流體動力聚焦裝置的并行化也已有文獻(xiàn)。

降低芯片到芯片的變異性。
目前，PDMS仍然是微流控芯片制造中最常用的材料。這歸功于它的許多優(yōu)點，包括光學(xué)透明性、靈活性和低成本。然而，PDMS芯片制造的一個重要缺點是它涉及手工和依賴于制造商的制造步驟。這可能是芯片之間變異性的一個來源。例如，每次對進(jìn)氣孔的手動沖壓可能略有不同，這對于3D流體動力聚焦設(shè)備來說尤其成問題，因為進(jìn)氣孔的橫向位置對流動模式有很大影響，從而產(chǎn)生納米顆粒。為了解決這個問題，一些集團(tuán)在模具制造中采用了用于入口和出口的SU-8立柱，從而避免了手動打孔。

避免PLGA納米顆粒粘在通道壁上。
使用微流體和聚合物納米顆粒時的另一個挑戰(zhàn)是限制微通道壁上的疏水相互作用。這可能會導(dǎo)致通道堵塞、顆粒丟失，并使芯片無法使用。3D流體動力聚焦裝置、同流毛細(xì)管裝置和基于液滴的系統(tǒng)解決了這個問題。然而，在芯片材料上也需要給予關(guān)注。PDMS與一些有機溶劑如二氯甲烷不相容。它會導(dǎo)致PDMS的膨脹和納米顆粒在材料內(nèi)部的吸收。由于溶劑-聚合物對是影響納米顆粒產(chǎn)物的重要因素，因此在優(yōu)化微流控平臺時也應(yīng)考慮該材料。

總結(jié)

PLGA納米顆粒已被廣泛用作藥物、蛋白質(zhì)或多肽的生物相容性納米載體。傳統(tǒng)的制備方法適合于大規(guī)模生產(chǎn)，但缺乏可控性和重復(fù)性。因此，微流控領(lǐng)域一直致力于制備高通量、單分散性和重復(fù)性好的PLGA納米粒子。流體動力聚焦和毛細(xì)管裝置的設(shè)計及其在藥物輸送領(lǐng)域中的應(yīng)用已被提出?，F(xiàn)在正在努力改進(jìn)微流控系統(tǒng)，提高納米顆粒的生產(chǎn)速度，并將其轉(zhuǎn)化為臨床研究。