微流控制備納米藥物載體的研究進展

許瑞呈,葉思遠,尤蓉蓉,呂松偉,招秀伯

(常州大學 制藥與生命科學學院 護理學院,江蘇 常州 213000)

0 引 言

近年來,納米材料在生物醫(yī)學方面的應用引起廣泛關注[1],納米結(jié)構(gòu)因其尺寸小、孔隙大、機械強度高以及良好的生物相容性等諸多優(yōu)點,可以提高生物利用度、控制藥物釋放、減少藥物使用劑量以及降低副作用[2]。在藥物遞送系統(tǒng)中顯示出巨大的使用前景。傳統(tǒng)的制備納米材料的技術所制備納米材料可能會氧化結(jié)塊,而且在合成規(guī)模擴大的過程中,工藝本身就可能會受到混合、成核和生長等限制。因此,有必要采用替代的合成方法,來獲得尺寸和形態(tài)可控的、穩(wěn)定的、可重復的單分散粒子。近幾十年來,許多研究小組利用微流控這一技術,以及從無機到聚合物等各種材料,制備了尺度從納米到微米的顆粒。該技術因其能夠精確控制流體流動和反應條件而備受關注,即使在放大的過程中也能實現(xiàn)精確的生長控制,同時還能最大限度地減少副產(chǎn)品的產(chǎn)生。

微流體學起源于20世紀90年代,最初是一門應用于分析化學領域的學科[3]。但隨著微流體技術的不斷發(fā)展以及相關設備的創(chuàng)新,現(xiàn)如今微流控學在材料學、生物學以及化學工業(yè)等諸多領域都有應用,例如,制造新型功能材料(如納米纖維、脂質(zhì)體)[4],細胞分離和分類[5]以及高通量篩選等。微流體法制備的納米顆粒具有粒徑尺寸可控、分散性好等優(yōu)點,廣泛應用于納米材料的合成,如納米金屬材料、氧化物顆粒和金屬有機骨架。

本文將從微流控芯片、微通道系統(tǒng)、藥物輸送納米材料的制備等方面進行簡要介紹。

1 微流控技術的概述

1.1 微流控芯片

微流控芯片,又稱為芯片實驗室(lab on a chip)[6],是微流體研究的重要載體和技術平臺。生化分析技術中的樣品合成、分離檢測和細胞培養(yǎng)、篩選等基本操作都可以在微流控芯片上實現(xiàn)。與傳統(tǒng)技術平臺相比,微流控芯片面積小,只有幾平方厘米(cm2)或更小,因此實驗所需試劑大大減少,反應分析時間相應縮短[7]。微流控技術涉及科學領域廣,是生物學、微機電學和化學等領域的近幾年的研究重點。

1.2 微流控芯片制備材料

迄今為止,通常有以下五種材料用來制作微流控芯片：晶硅、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)[8]、玻璃[9]、石英和塑料。其中,以晶硅體、聚二甲基硅氧烷和玻璃最為常用,以下對這三種材料進行詳細的介紹。

晶體硅：材料的機械強度大、純度高、耐腐蝕且有著良好的散熱性。生產(chǎn)工藝和微細加工技術相對而言較為成熟等優(yōu)點,但是其絕緣性和透光性能差,進行深度刻蝕比較困難,而且表面化學行為復雜,硅基片的粘合率低,上述缺陷極大地限制了其在微流控芯片中的廣泛應用。

聚二甲基硅氧烷：制備方便快捷,材料成本低,化學惰性好,同時聚二甲基硅氧烷具有良好的透光性和生物相容性,能在室溫下直接與多種材料接合。另外聚二甲基硅氧烷的結(jié)構(gòu)彈性高,這些特點使其成為一種廣泛應用于芯片制作的聚合材料,但是它的軟化溫度點低,鍵合力弱,會導致其通道耐壓相對而言較弱一些[10]。

用得最多的材料是玻璃,其價格便宜,有著良好的電滲性和透光性,且表面反應性佳,易浸潤,玻璃可以通過光刻技術和蝕刻技術將微通道網(wǎng)絡復制在表面。與晶體硅一樣,深度蝕刻困難,而且鍵合溫度較高會導致鍵合率降低。

2 基于微流控技術的微通道系統(tǒng)

微流控技術可以實現(xiàn)微尺度流體的精確控制,是從最初的微量分析化學平臺向高通道藥物篩選、微混合、微反應以及微分離的領域發(fā)展,作為一種嶄新材料的制備技術平臺,如今已經(jīng)在功能性材料的制備上展現(xiàn)出比傳統(tǒng)技術更加突出的優(yōu)勢。

微流控制備材料通常是基于其微通道實現(xiàn)的。最近幾年,研究微流控學的國內(nèi)外研究人員,為方便各種功能材料的制備,設計制作了具有多種結(jié)構(gòu)功能的微通道系統(tǒng)。這些不同結(jié)構(gòu)的微通道的問世,使微流控技術的前景在不同的科學領域得到更為廣泛的發(fā)展。

目前,用于藥物載體制備的微通道系統(tǒng)主要有以三種方式,如圖1所示。第一種,共軸流法；第二種,T型通道(正交結(jié)構(gòu))方式；第三種,流動匯聚型。

圖1 三種微通道結(jié)構(gòu)示意

2.1 共軸流法

共軸流(Co-flow)法形成液滴的機理,是將圓形毛細管的一端用拉針儀拉成錐形并置于另一根圓形的毛細管之中,里面圓形毛細管的內(nèi)徑與外面圓形毛細管的外徑是相等的。向圓形毛細管方形毛細管分別通入平行流動的分散相及連續(xù)相,并在某一相中加入表面活性劑,在尖端剪切力的作用下從而形成液滴。通過共軸流法所生成的微液滴半徑的計算公式為2R=(6v·Tn/n)。式中R為微液滴半徑,v為分散相的流速,Tn為液滴產(chǎn)生的周期。

這類通道是最基本、最簡單的通道。因此,許多學者根據(jù)自己的需要,在其基礎上自行設計制造了各種結(jié)構(gòu),用于制備各種不同形式的產(chǎn)品,如在毛細管內(nèi)再加兩根尖端相對的細毛細管,分別向毛細管內(nèi)外通入不同的表面活性劑溶液,受剪切力的作用形成實驗所需要的液滴層數(shù)。

2.2 T型通道

傳統(tǒng)乳化和微型化是T型通道(T-junction)法生產(chǎn)液滴的方法,以剪切力與液滴前后壓力差導致液滴生成。在T型微通道中,分散相通入垂直的入口,另一個入口通入連續(xù)相。于兩相界面處,界面張力無法維持連續(xù)相對分散相施加的剪切力,在連續(xù)相剪切力的作用下,使部分分散相脫離,形成小液滴。當兩相流速一定時,液滴的生成將逐漸趨于穩(wěn)定。由于其便于制作和操縱,廣泛應用于對微液滴均勻性要求不高的場合,而且該法產(chǎn)生的液滴可控范圍相對較小。其中Y型通道是T型通道的一種變異形式,與T型通道相比,其剪切作用力較弱,若要獲得相同尺寸的液滴,需要更大的連續(xù)相流速和流量,因此,T型通道使用的場景范圍要遠大于Y型通道。

2.3 流動聚焦法

不同于共軸流法,流動聚焦(flow focusing)法主要是將不同通道內(nèi)的連續(xù)相和分散相流體聚焦于一個通道內(nèi),外圍流路流入連續(xù)相,兩個連續(xù)相的中間流進分散相,對稱的連續(xù)相剪切力將分散相夾斷形成液滴。與 T型通道相比,流動聚焦法更容易控制液滴,形成的液滴也更加穩(wěn)定,生成的液滴具有更大的體積范圍,因此其適用范圍比 T型通道更廣,與T 通道相結(jié)合可以制備更復雜的粒子。

3 微流控制備納米藥物載體

近年來,隨著科學技術的迅猛發(fā)展,納米材料以其獨特的尺寸、結(jié)構(gòu)和性能,在微電子、光電子、感測器件、能源、藥物輸送以及生物工程等領域顯示了廣闊的應用前景。用納米材料做藥物載體,可改善許多藥物溶解度低、穩(wěn)定性差以及生物分布不均勻的問題[11]。由于納米材料藥物載體的物化性質(zhì)取決于其尺寸、形狀以及晶體結(jié)構(gòu),因此，合成的過程中需要對動力學和熱力學反應進行精確的控制。故而,微反應器在納米材料合成中的作用主要體現(xiàn)在三個方面：1)尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)合成的可控性；2)可通過連續(xù)流工藝進行放大；3)高通量。目前以微流控技術制備的藥物載體納米材料主要有：聚合物納米材料[12]、無機納米材料[13]、脂質(zhì)體納米材料[14]、雜化納米材料[15]等。

3.1 聚合物納米材料

聚合物納米材料是一種固體膠態(tài)顆粒,由天然或合成聚合物材料制成,廣泛用于藥物輸送。根據(jù)研究需要,微流控技術可控制聚合物納米顆粒的溶劑混合時間和粒徑尺寸大小。Han X W等人[12]利用液滴微流控技術與物理交聯(lián)相結(jié)合,制備了大量均勻的、單分散的聚乙烯醇(PVA)微球,該微球尺寸可通過改變兩相流體的注入流量和微流道寬度來控制。物理交聯(lián)法制備 PVA微球,效率高,且微球具有良好的單分散性，工藝無需添加化學交聯(lián)劑,避免了對包合物材料的干擾,適用于藥物載體等領域。2017年,Tran T T等人[16]以姜黃素(CUR)和殼聚糖(CHI)作為藥物和多糖的模型,開發(fā)了具有高尺寸可調(diào)性的連續(xù)微流控藥物納米復合物合成平臺。

3.2 無機納米材料

通過生物功能化作用,無機納米材料具有良好的生物相容性,因此在生物醫(yī)學領域得到越來越廣泛的應用。無機納米材料也可與如診斷、治療、生物感應、組織工程這些生物醫(yī)學相關的功能相結(jié)合。無機納米顆粒在合成過程中,前驅(qū)體濃度、反應溫度以及表面活性劑的性質(zhì)和原子核停留時間都能夠決定納米粒徑[17]。微流控流動聚焦法通過精確控制混合時間、反應溫度和停留時間,實現(xiàn)了快速成核,從而可以制備出尺寸均勻性好的無機納米粒子。

Roberts D S等人[17]借助微流控設備制備出粒徑在150～350 nm的多孔硅納米顆粒,其收率高達57 %,與傳統(tǒng)超聲波和球磨法相比,收率提高了2.4倍,均勻度提高了1.8倍,反應時間則縮短了36倍。Sen N等人[18]報道了一種基于液—液兩相的分段微流體系統(tǒng)用于合成BaSO4納米粒子(如圖2所示),該系統(tǒng)可以連續(xù)運行且不會堵塞。通過對初始濃度、摩爾比和流速等不同操作參數(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)對納米顆粒合成的尺寸精度和可控性有很大影響,在最佳條件下,該系統(tǒng)可連續(xù)合成粒徑65 nm、多分散指數(shù)0.10的BaSO4納米顆粒。

圖2 BaSO4納米顆粒制備實驗裝置示意

3.3 脂質(zhì)體納米材料

脂質(zhì)體是磷脂囊泡,在20世紀60年代由Bangham及其同事發(fā)現(xiàn)。脂質(zhì)體是由脂質(zhì)雙分子層組成,其納米顆粒具有中空結(jié)構(gòu),可作為藥物載體,提高藥物的療效[19]。制備脂質(zhì)納米顆粒的傳統(tǒng)方法有很多[20],例如,pH梯度法、超聲波分散法及冷凍干燥法等,這些方法繁瑣,操作困難,制得的脂質(zhì)體分散性低,穩(wěn)定性差。

Hong S C等人[21]基于流體動力學聚焦原理,利用二棕櫚酰磷脂酰膽堿作為構(gòu)建基,通過微流體組裝技術,成功制備出單分散的200 nm兒茶素和姜黃素雙重負載脂質(zhì)體。本方案提出了雙活性組分包封提高生物利用度的可行性。Maeki M等人[22]用即觸即用法制備脂質(zhì)納米顆粒。先用微流控設備在玻璃基底上形成脂質(zhì)雙層膜,后向微流控裝置中引入濃縮的 DNA核,并與脂質(zhì)膜表面接觸,包覆在雙層脂質(zhì)膜上形成脂質(zhì)納米顆粒。Hood R R等人[23]使用可產(chǎn)生3D流動聚焦流的玻璃多毛細管陣列微流控裝置,制備出粒徑更窄的小尺寸脂質(zhì)納米顆粒。

3.4 雜化納米復合材料

雜化納米復合材料是指由兩種或兩種以上的材料或組分組成的復合材料或雜化材料,其中至少含有一種納米(nm)級別的材料或組分[24]。在藥物遞送的研究中,具有復雜多組分結(jié)構(gòu)的雜化粒子往往具有更多的功能,如靶向性、聯(lián)合遞送、降低毒性等。但是粒子結(jié)構(gòu)復雜化則其制備工藝也會變得更為復雜,可控性降低,重復性差,難以保證粒子結(jié)構(gòu)的單一性。

2015年,Bag P P等人[25]利用連續(xù)微流控設備,通過液相熱注入的方法合成了CdSe、CdS和CdSeS(合金)量子點,在CdSe或CdSeS的情況下,通過一個單一步驟的反應,ZnS或CdS外殼就能獲得高達60 %的量子產(chǎn)率。緊接著,2016年,Ortiz de Solorzano I等人[26]利用微流體平臺連續(xù)合成了可生物降解的光熱硫化銅納米顆粒。金屬—有機框架(MOF)是一種新型有機—無機雜化納米晶體材料,其具有開放性框架結(jié)構(gòu)和高孔隙率,可用于儲氫[27,28]、藥物輸送、磁共振成像造影劑[25,29]及催化[30,31]等方面。MOF的傳統(tǒng)制備方法耗時長、需要特殊的裝置。因此,Faustini M等人[15]提出了一種基于液滴的微流體合成 MOF的方案(如圖3所示),成功地合成了典型的MOF—5、IRMOF—3、UiO—66等雜化結(jié)構(gòu)。這種制備方法可以連續(xù)、快速地合成 MOF,并且可以在商業(yè)和工業(yè)上制備 MOF。

圖3 微化過程的示意

4 結(jié)束語

微流控樣品消耗低、性能高、操作簡單等優(yōu)點,微芯片反應器在合成納米材料的應用中日益廣泛,微流控合成納米材料解決了傳統(tǒng)間歇合成中難以獲得質(zhì)量均一,粒徑分布可控的難題,為納米材料的合成開辟了新的方向,也使納米藥物輸送系統(tǒng)具有了更為廣闊的發(fā)展前景。

對于納米材料制備和操作的微流控技術的未來發(fā)展,將有更多的研究集中在幾個問題上：

1)單、多相過程(包括微流控器件中的連續(xù)后處理)中的流動行為和質(zhì)量以及熱傳遞的基本原理尚待進一步研究。此外,還應建立不同操作環(huán)境下納米材料加工過程與相態(tài)關系的理論基礎(如轉(zhuǎn)移與分散過程的規(guī)律、分布行為等)。

2)集成微化學系統(tǒng)進行可控制備顆粒將成為該領域的一個重要課題。微化系統(tǒng)可定義為由一個或多個微設備控制傳輸和反應過程的系統(tǒng),此類系統(tǒng)可包括一個微設備、多個微設備或帶有傳統(tǒng)設備的微設備,但由于該領域的知識有限,設計和構(gòu)建集成微化系統(tǒng)面臨一些挑戰(zhàn)。

3)盡管液滴和液塞是在傳統(tǒng)的和新型的微流控平臺上實現(xiàn)并行化的,但新材料的批量生產(chǎn)仍是一個難題。只有達到每天生產(chǎn)千克(kg)級的產(chǎn)品,微流控平臺的優(yōu)勢才有意義。規(guī)模戰(zhàn)略需要進一步發(fā)展,才能實現(xiàn)納米顆粒的工業(yè)化應用規(guī)模。在工業(yè)應用中,微器件系統(tǒng)所面臨的堵漏、長周期穩(wěn)定性和維護技術等工程問題,應該成為微流控技術下一個需要解決的主要問題。