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(jià)值。這些聚合物納米粒子獲得了美國(guó)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(qiáng)，在水中降解的時(shí)間就越長(zhǎng)。

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：?jiǎn)稳橐悍ɑ驈?fù)乳液法(又稱溶劑揮發(fā)法)和納米沉淀法。對(duì)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(jī)相乳化到水溶液中然后蒸發(fā)有機(jī)溶劑后生成的。
復(fù)乳法更適合于包埋親水性藥物，因?yàn)樗鼈兪腔谒腿闋钜?。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(gè)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(jī)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以減少對(duì)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(gè)階段

為了設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)樗鼈儚脑?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(gè)主要階段：成核(I)、生長(zhǎng)(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(jī)溶劑中的前體放入水相中，并通過密集的混合(通過擴(kuò)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(zhǎng)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(zhǎng)和形核在時(shí)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(zhǎng)的時(shí)候成核，那么當(dāng)反應(yīng)停止時(shí)，它們將具有不同的尺寸。值得注意的是，在微流體中，這兩個(gè)階段也可以在空間上分開，因?yàn)樯L(zhǎng)可以發(fā)生在芯片中比成核點(diǎn)更下游的地方。當(dāng)形成穩(wěn)定的納米顆粒并完成生長(zhǎng)階段時(shí)，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(shí)(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(xiǎn))。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。或者，也可以使用具有作為表面活性劑的親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(shí)間tMix。通常通過提高溫度和使用磁力攪拌器來加強(qiáng)混合?；旌显谌芤褐胁粫?huì)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(dòng)聚焦裝置中，混合時(shí)間可以使用以下公式計(jì)算：

式中，w為微通道寬度，D為有機(jī)溶劑的擴(kuò)散系數(shù)，R為有機(jī)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(shí)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(kuò)散速度，但這一參數(shù)對(duì)微流控合成PLGA納米粒子的重要性尚未見報(bào)道。因此，控制微流控芯片內(nèi)部的流動(dòng)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(jì)。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(huì)涉及芯片制造的細(xì)節(jié)，因?yàn)橛糜谖⒘骺仄骷牟牧弦呀?jīng)有了完整的綜述。相反，重點(diǎn)將放在兩個(gè)戰(zhàn)略上：流體動(dòng)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(jiǎn)要描述。

圖4.一種簡(jiǎn)單的2D流體動(dòng)力聚焦裝置的設(shè)計(jì)

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(jiǎn)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(jī)溶劑(丙酮、乙腈、二甲基亞砜等…)中。以及藥物或無機(jī)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(jī)相的流量時(shí)，有機(jī)相的流量集中在交界處，混合時(shí)間大大縮短。由于PLGA不溶于水，當(dāng)有機(jī)相擴(kuò)散到水中時(shí)，它會(huì)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(dòng)力聚焦的二維設(shè)計(jì)，但也已經(jīng)構(gòu)建了三維構(gòu)型。他們的設(shè)計(jì)，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(jī)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(jiǎn)單的流體動(dòng)力聚焦接頭到復(fù)雜的雙乳化系統(tǒng)。劉等人報(bào)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(shí)間。以水和表面活性劑的混合物為內(nèi)流體，有機(jī)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?yàn)榍膀?qū)體和水之間的流量比是固定的。他們還報(bào)告說，每天的生產(chǎn)率提高了幾百克。另一項(xiàng)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(tái)，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(dòng)后，在外部流體的水相中迅速擴(kuò)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(zhǎng)，直到剩下的所有DMSO和DCM在水中擴(kuò)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(qiáng)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(shí)間內(nèi)生產(chǎn)足夠大的量(用于體內(nèi)研究和臨床試驗(yàn))、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(shì)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(shí)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(píng)價(jià)白蛋白對(duì)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(jī)遇

提高PLGA納米粒子的產(chǎn)率。
在實(shí)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(shí)上，對(duì)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(duì)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(gè)閾值)，也可以將設(shè)備并行化，或者同時(shí)進(jìn)行這兩種操作。對(duì)于流體動(dòng)力聚焦，2D十字形設(shè)計(jì)將適合幾個(gè)裝置的并行化，3D流體動(dòng)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(diǎn)，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(gè)重要缺點(diǎn)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(gè)來源。例如，每次對(duì)進(jìn)氣孔的手動(dòng)沖壓可能略有不同，這對(duì)于3D流體動(dòng)力聚焦設(shè)備來說尤其成問題，因?yàn)檫M(jìn)氣孔的橫向位置對(duì)流動(dòng)模式有很大影響，從而產(chǎn)生納米顆粒。為了解決這個(gè)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(dòng)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(shí)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是限制微通道壁上的疏水相互作用。這可能會(huì)導(dǎo)致通道堵塞、顆粒丟失，并使芯片無法使用。3D流體動(dòng)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(gè)問題。然而，在芯片材料上也需要給予關(guān)注。PDMS與一些有機(jī)溶劑如二氯甲烷不相容。它會(huì)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(duì)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(tái)時(shí)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(dòng)力聚焦和毛細(xì)管裝置的設(shè)計(jì)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。