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连续微流控液滴法合成PLGA颗粒

时间:2021-12-09  点击次数:485

摘要

本文主要内容为高度单分散PLGA颗粒的合成方法,颗粒大小为10到45μm,采用Dolomite的药物微囊化系统,该系统主要基于连续微流控合成法和Dolomite的三维流式聚焦液滴芯片。
本文描述在一系列测试条件下实验情况,在这些条件下,连续相和分散相之间的相对流动条件是不同的,产生的液滴大小和液滴速率被记录下来,描述了液滴从液相到固相的收集和转化过程的物理机理。
PLGA颗粒的制造方法依赖于聚合物在溶剂中的溶解,以及微流控液滴的制备。该方法的主要优点是得到的颗粒具有高的单分散性和批次间的一致性。在不改变硬件的情况下,可以在一个系统上实现较大的尺寸范围,这也是一个很大的优点。
实验中的主要操作参数为:
  • 分散相流体速度:0.5-30μL/min

  • 连续相流体速度:10-125μL/min

  • 液滴尺寸范围:35-101μm

  • 固化颗粒尺寸范围:12-44μm(最小可做到2μm)

  • 液滴频率:最大14KHz

  • 聚合物浓度:1、2、10、20%(w/v)

  • 颗粒单分散性:CV<5%

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引言

由于PLGA具有生物降解性和生物相容性,作为药物载体被广泛使用,是美国食品和药物管理局批准的几种疾病治疗方法的基础。

制造高单分散微球用于药物控制释放和靶向给药是一个普遍性的需求。在这些应用中,对bead大小分布的精确控制尤为重要,影响着实体瘤的高通透性和滞留效应。

此外,微球的大小决定了降解速率,从而决定了药物的释放速率。bead的尺寸对其表面积与体积比有很大的影响,从而影响了表面功能基团的数量。在靶向给药应用中,这反过来又决定了bead对特定位点的偏好。

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传统的以乳化液为基础的PLGA颗粒制造方法,每一批都会生产出直径范围很广的bead。通过控制剪切能的输入,有一定程度的尺寸选择。基于液滴微流控方法,在一个单一的步骤中产生高单分散颗粒,从而提高了该工艺的产量。

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材料和方法

采用液滴微流控方法生产PLGA颗粒是通过液滴的形成和溶剂萃取实现的,使用了两种部分可混溶溶剂二氯甲烷(DCM)和水,PLGA溶解在DCM形成分散相,水相表面活性剂共混形成连续相流体,表面活性剂吸附在液滴和稳定乳液的载体之间的流体界面上。

【主要设备】

3台Mitos压力泵、2个流量监测模块、一套氦气供应系统、亲水液滴芯片、截止阀、含氟连接管、接头等。

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【主要试剂】

99.8%的DCM(需0.2μm针筒过滤器)、PLGA溶解在DCM中的四种不同浓度溶液、水和2%PVA(需0.2微米针筒过滤器)。


实验结果与讨论

一、PLGA颗粒形成

液滴形成后,DCM开始扩散到周围的水相,从而消耗液滴中的溶剂,液滴中的溶剂消耗增加了PLGA的浓度,直到达到过饱和时,PLGA液滴开始沉淀,知道转化成PLGA颗粒。溶剂的去除导致体积的比例减少,因此尺寸减小。

为了展示颗粒形成过程,用下图实验数据做进一步阐述:

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液滴的大小是用像素分析软件测量的,参考维度是100μm的通道宽度,液滴产生的视频以1KHz的帧速率记录,像素大小为592像素×144像素采用高速成像系统。

当液滴产生率高于视频捕获率时,将记录静止图像,这可以用来测量液滴的大小。
液滴率的估算方法为:

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芯片上的液滴被收集在一个小瓶里,小瓶已预先装满100μL溶液(水+ 2% PVA)。

溶剂去除是DCM从液滴内扩散,经过液滴/载体流体界面,进入载体,再经扩散排放到大气中,留下的就是凝固的PLGA颗粒悬浮在载流体中。

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当液滴中存在大量的水时,溶剂不断地从液滴中扩散出来,残余疏水聚合物PLGA形成比初始液滴更小的微粒,表面活性剂分子(未见上图)在有机液滴PLGA和水载体之间的流体界面上自组装,表面活性剂分子的疏水部分侵入液滴,而亲水部分向外延伸。

从收集瓶中一部分作为样本,然后将样本放在显微镜的玻璃载玻片上,在固定的时间间隔内记录图像。

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聚合物液滴落在玻璃载玻片上,盖玻片是亲水的,与液滴芯片的表面相同,有足够的暴露面积,DCM将从聚合物液滴内部转移到周围的水中,并最终扩散到大气中。

下面的图像依次显示了采集到的样本大小随时间的变化,时间间隔为30s。

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在溶剂去除过程中,选择并跟踪一个液滴/颗粒,记录其大小的变化。颗粒继续被载相流体包围,因此处于流体悬浮状态。

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当液滴在芯片上形成时,收缩就开始了。由于这个原因,在显微镜下的大小是跟踪,初始值并不是101μm,而是从95μm开始减少,最终绝大部分DCM挥发到大气中,形成23μmPLGA半凝胶。收缩比列=101μm/23μm=4.36

二、液滴尺寸和bead尺寸

溶剂的去除率与溶剂去除的方法密切相关,在载玻片上,有很大的暴露面积可供蒸发,因此溶剂去除过程只需几分钟即可完成。而在柱式法、溶剂交换法中,溶剂的去除时间较长,但控制较好。

液滴大小取决于各种物理参数,如流量比、界面表面张力和流体粘度。液滴在芯片上产生,并输送到芯片外,由液相转化为固相。在这个转化阶段,表面活性剂充分稳定了乳液。

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三、液滴频率
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结论

液滴微流孔已被证明是生产具有高单分散性和尺寸均匀性的PLGA珠子的一种非常有效的工具。可以通过改变分散相和连续相的流速,以及改变PLGA的浓度来实现对bead尺寸的无缝控制。在本文中,bead尺寸从12μm到44μm都可以在不改变设备硬件的条件下合成。

在本研究中获得的样品,在光学显微镜显示了*的均匀性,这对PLGA均匀的降解和药物释放有重要作用。

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