微流体技术制备聚合物纳米颗粒

来自美国的科学家们提出了一种新的办法制备聚合物纳米粒子。

在最近的Advanced Materials中的专栏Advanced Healthcare Materials中的一篇文章中,来自美国的科学家提出了一种利用三维微流体聚焦技术(3D hydrodynamic flow focusing, 3D HFF)合成聚合物纳米颗粒的方法,相比于传统方法和二维微流体等技术(2D HFF)来说,此方法具有快速、方便、可靠、适用范围广、颗粒分布均匀和尺寸可控等优点。

纳米颗粒通常是指尺寸在几个纳米至几百个纳米间的微型颗粒,常见的纳米颗粒有金属纳米颗粒、陶瓷纳米颗粒、玻璃纳米颗粒、乳胶纳米颗粒、聚合物纳米颗粒等。由于其特殊的物理化学性能,纳米颗粒广泛的应用于化学催化、色谱分离、医学检测以及护肤用品等领域。其中,聚合物纳米颗粒具有合成简便、性能优异等优点,并在许多应用领域中显示出广泛的前景。一个典型的例子是聚乳酸/羟基乙酸共聚物和聚乙二醇的嵌段共聚物(PLGA-PEG)的纳米颗粒在靶向药物控释(Targeted Drug Delivery)的领域的应用。PLGA-PEG纳米颗粒具有优异的物理及化学性质,包括良好的生物相容性和降解性、与各种靶向试剂良好的结合能力、理想的免疫逃避能力、良好的药物释放控制能力以及高效的剂量载荷能力等。PLGA-PEG纳米颗粒已经成功地应用在活体(in vivo)的癌症治疗试验中,接下来的工作则是如何将其研究应用到真正的临床测试中。

与此同时,越来越多的应用场景对纳米颗粒的制备方法也提出了更高的要求——除了一些传统的常规要求以外(如制备效率和性质重复性等方面),理想的制备方法也要能够对纳米颗粒的物化和形貌等性质更加精确地控制,以达到最佳的应用效果。在传统的方法中,聚合物纳米颗粒的制备通常是在本体溶液中完成的,通过溶剂交换等方法,实现聚合物在纳米尺度下的可控沉淀即可获得纳米颗粒。但是由于传统方法得到的颗粒往往尺寸分布分散、性质不均匀,而在应用方面受到了很大的限制。

与本体制备方法相比,由近年来发展起来的微流体聚焦技术制备得到的微纳米颗粒尺寸十分均一、物化性质均匀,因此具有很大的优势。简单的说,微流体聚焦技术利用溶液流体在微型管道(Microchannel)里面的流动特性,可以精确的控制纳米颗粒的形成条件,从而得到分布很窄性质均匀的纳米颗粒。但是目前大部分的微流体聚焦技术都限于二维空间上的聚焦,由于聚合物纳米表面吸附及空间限制等原因,二维聚焦的微流体管道容易发生堵塞等问题,而限制了其应用。

针对此类问题,最近该研究组进一步提出利用3维空间上的流体聚集技术来制备聚合物纳米颗粒。在微流体元件设计上,他们不仅保留了水平空间上的管道设计,并且在垂直空间上也设计了另外的管道。由于新颖的空间设计可以避免形成的纳米颗粒在微流体管道表面的吸附,从而成功的解决了管道堵塞的问题。利用这个全新的3D HFF设计,该课题组成功地制备了一系列具有不同聚合物浓度和分子量的PLGA-PEG 纳米颗粒。所得到的PLGA-PEG纳米颗粒尺寸十分均匀、形貌稳定,而且通过调节实验参数和聚合物嵌段的比例,可以方便的调节纳米颗粒的最终形态和药物包裹能力。另外,他们也通过数学模拟和有限元分析的结果来找到操作参数的最佳范围以及微流体管道的优化设计,以及利用共聚显微技术来验证了3维流体聚集的聚合物流束是否存在,及其具体的空间位置和几何形貌。

值得一提的是,该研究提出的元件设计也很新颖。基于简化工艺步骤等方面考虑,此项研究并没有使用常用的3D微流体元件的制备方法(如多层组装(Multilayer Assembly)或单层堆积技术(Microfluidic Drifting)),而是通过三个连继排列的进样口,在常规的单层构造的整块微流体元件中实现了垂直方向的流体聚集。这种制备方法显得更加简单方便和成熟可靠,因而具有突出的优势。

M. Rhee, et al., Adv. Mater. 2011; DOI: 10.1002/adma.201004333.