Microfluidics-assisteret syntese af stimuli-responsive chitosan-mikrogeler til lægemiddelleveringsapplikationer

Dråbemikrofluidik giver en robust platform til at syntetisere og funktionalisere mikro- og nanopartikler i en række applikationer, herunder lægemiddellevering, screening, lab-on-a-chip og organ-on-a-chip applikationer på tværs af kemisk og biomedicinsk teknik. Chitosan er et biomateriale velegnet til forskellige biomedicinske anvendelser, herunder antibakterielle bioaktiviteter med immunforstærkende og anticancer egenskaber. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Scientific Reports , Omid Sartipzadeh og et tværfagligt forskerhold inden for medicinsk nanoteknologi, biomaterialer og vævsteknologi i Teheran, Iran, beskrev chitosan-dråbernes rolle i en mikrofluidisk chip. Resultaterne viste, hvordan forskellige størrelser og geometrier af chitosan-dråberne kunne etableres ved at variere parametrene til flere formål, herunder lægemiddellevering, vævsteknologi og celleindkapsling. Holdet gennemførte en eksperimentel undersøgelse, der stemte overens med simuleringsresultaterne for at bekræfte resultaterne.

Vævsteknik og mikrofluidik

Monodisperse mikro- og nanopartikler har tiltrukket sig stor opmærksomhed på tværs af lab-on-a-chip-instrumenter og biosensorer til en række anvendelser inden for vævsteknologi. Materialeforskere og bioingeniører har gjort mange forsøg på at generere ensartede mikro- og nanopartikler efter behov. Men grænsefladespændingerne mellem faser har gjort det vanskeligt at levere egnede mikro- og nanopartikler med høj kvalitet. Da typiske teknikker er dyre, komplekse og tidskrævende, forsøger forskere at generere monodisperse mikro- og nanopartikler med on-demand morfologi, former og størrelser.

I dette arbejde undersøgte Sartipzadeh et al. mikrofluidiske dråbegenereringshastigheder, inklusive strømningshastighed via COMSOL Multiphysics simulatorsoftware for at udvikle praktiske mikrofluidchips til chitosan-olie-chitosan dobbelte emulsioner. De eksperimenterede først med en model for beregningsvæskedynamik for at forstå konfigurationen og funktionerne af dråber for at skabe en flow-fokuseret mikrokanal. Ved hjælp af simuleringerne opnåede de en tilgang til at opnå større forståelse af den komplekse on-chip-proces. Resultaterne gjorde det muligt for teamet at kombinere to ublandbare væsker og deres hastighed for at undersøge dråbedannelse, dråbediameter og deres dannelseshastighed.

Sartipzadeh et al udviklede de eksperimentelle metoder i lyset af resultaterne af simuleringen. De undersøgte de fysiske og kemiske egenskaber af chitosan og doxorubicin; en type antracyklin/kemoterapi-lægemiddel i forhold til dråbestørrelse og hastighed for dråbedannelse. Holdet bestemte mønsteret og hastigheden af ​​komponenterne ved hjælp af en mikrofluidik flow-fokuserende enhed (MFFD) til at bestemme dråbestørrelse og produktionshastigheder. Baseret på resultaterne opnåede holdet en omfattende metode til at skabe mikrofluidiske dråber. MFFD'erne vedligeholdt indløb og udløbsledninger for at regulere spredte og ublandbare væskestrømme, der kolliderede med hinanden ved et kryds. Forskerne bemærkede, hvordan dråberne styrede nedstrøms for hovedkanalen baseret på trykgradienten og hastighedsstrømmen af ​​opsætningen for at danne fire strømningsniveauer. De medfølgende snapshots fra simuleringerne illustrerede dråbekonfigurationen som en underordnet tid med varierende koncentrationer af chitosan og doxorubicin. Sartipzadeh et al designet og udviklede mønsteret for mikrofluidisk flow-formning på siliciumwafer ved hjælp af blød litografi og støbte formen på den mikrofluidisk flow-fokuserende enhed med polydimethylsiloxan. Holdet bundede formen af ​​chipmønstre på et objektglas via oxygenplasma, og injicerede derefter bestanddelene i chippen ved hjælp af to pumper for at undersøge mekanismerne for kombineret mikrogel-dråbeproduktion.

Dynamik i dråbedannelse

Holdet udforskede dynamikken i trykstyret væskedråbedannelse, hvor de bemærkede en signifikant stigning i trykket sammenlignet med trykket før og efter processen. Fænomenet beroede på kraften af ​​tryk, forskydningsspænding og overfladespænding. Når trykket og forskydningsspændingen var større end overfladetrækkraften, begyndte dråben at blive tykkere og tyndere. Derudover var kraftbalancen mellem parametrene tryk, forskydningsspænding og overfladespænding baseret på de fysiske egenskaber af de relevante løsninger. Holdet undersøgte koncentrationen af ​​bestanddelene i forhold til dråbens dimensioner og indikerede en ligevægt mellem forskydningskraft og grænsefladespænding. De beregnede væskeflowet og dets effekt på flere applikationer, herunder lab-on-chip immunoassays, og beregnede størrelsen af ​​dråber i forhold til koncentrationer af bestanddele, herunder hyppigheden af ​​dråbedannelse og antallet af dråber dannet i undersøgelsen. Holdet krediterede resultaterne til flere parametre på platformen.

Proof-of-concept:Lægemiddelfrigivelsesprofiler for kemoterapilægemidlet doxorubicin

Sartipzadeh et al udviklede derefter en chitosan-doxorubicinblanding med forskellige koncentrationer af chitosan blandet med en specifik mængde af kemoterapilægemidlet doxorubicin for at forstå dråbediameterens afhængighed af viskositeten. Den stigende koncentration af chitosan førte til en stigning i dets dynamiske viskositet for at producere dråber med varierende diametre. Holdet undersøgte derefter frigivelsen af ​​doxorubicin fra chitosan i laboratoriet for at vise, hvordan lægemiddelfrigivelsesprofilen fulgte et tovejsmønster, for at fremhæve chitosans rolle som mikrobærere af semi-målrettede leveringssystemer. Forskerne undersøgte lægemiddelfrigivelsesprofilerne fra mikrobærerne ved to forskellige temperaturer og pH-niveauer for at fremhæve toksiciteten af ​​indkapslet doxorubicin på cancerceller sammenlignet med det frie lægemiddel. Tilstedeværelsen af ​​bæreren gjorde processen med lægemiddelfrigivelse mere biokompatibel for raske celler sammenlignet med lægemidlets toksicitet i dets frie form.

På denne måde udviklede Omid Sartipzadeh og kolleger en beregningsmæssig væskedynamikmodel til at forstå processen med biokompatible chitosan-dråbedimensioner og dannelse i en flow-fokuseret mikrokanal. Simuleringsresultaterne fremhævede en alternativ tilgang til at nå de forventede eksperimentelle resultater. Baseret på undersøgelserne understregede holdet betydningen af ​​chitosan-mikropartikler for lægemiddelleveringsapplikationer i biomedicin. Den fremragende bioaktivitet, biokompatibilitet og bionedbrydelighed gjorde materialet velegnet til forskellige anvendelser i en mikrofluidisk enhed, herunder lægemiddelscreening på laboratorie-på-en-chip-platforme og lægemiddellevering i organ-på-en-chip-instrumenter med 3D-cellekulturer at vurdere toksicitet af lægemiddelkandidater. Holdet gennemførte en proof-of-concept-analyse for at løse væsentlige udfordringer inden for biomedicin og fremhævede chitosan-dråbernes rolle som mikrobærere til målrettet farmaceutisk terapi. + Udforsk yderligere

Forbedring af udskriftskvaliteten ved at bruge overfladeaktive stoffer

© 2022 Science X Network