Das Interesse an der Herstellung von Lipid-Nanopartikelnhat in den letzten zehn Jahren zugenommen. Tatsächlich bieten diese Nanoliposomen zahlreiche Vorteile, wie beispielsweise die Möglichkeit, verschiedene Wirkstoffe zu kombinieren, die Wirkstoffe vor Veränderungen zu schützen, die Diffusion der Substanzen im Körper zu steuern oder sogar eine vollständige Sterilisation durch Filtration zu erreichen.
Was ist ein Nanoliposom?
Nanoliposomen oder Lipid-Nanopartikelbestehen häufig aus einer oder mehreren Lamellenschichten. Zu diesen Schichten gehört eine Phospholipid-Doppelschicht, die ein geringes Volumen an wässriger Flüssigkeit enthält. Der Durchmesser von Nanoliposomen kann je nach Herstellungsverfahren zwischen einigen zehn Nanometern und Hunderten von Mikrometern variieren.
Phospholipide und Lipide sind die Hauptbestandteile von Liposomenmembranen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie in verschiedenen organischen Lösungsmitteln löslich sind, und genau aufgrund dieser Eigenschaft werden bei den meisten gängigen Verfahren im ersten Schritt des Protokolls organische Lösungsmittel verwendet, um die Lipide zu lösen.
Der Aufstieg der Mikrofluidik eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Nanopartikeln auf Lipidbasis. Mikrofluidische Verfahren haben gezeigt, dass sie nicht nur den Mischprozess der organischen und wässrigen Phasen, sondern auch die Größe steuern können, wodurch eine hohe Monodispersität erreicht wird. Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Gestaltung des mikrofluidischen Chips die Zusammensetzung und Größe der gewonnenen Nanoliposomen zu variieren.
Vorteile des Einsatzes von Mikrofluidik zur Herstellung von Nanoliposomen
Die ältesten und traditionellsten Verfahren zur Herstellung von Liposomen sind die sogenannten makroskaligen oder Chargenverfahren, die auf der anfänglichen Dehydratisierung von Lipidfilmen basieren, gefolgt vom Quellvorgang und der abschließenden mechanischen Bearbeitung zur Erzeugung der wasserdispergierten Doppelschichten. Diese Verfahren zeichnen sich jedoch durch eine schlechte Reproduzierbarkeit, eine eingeschränkte Prozesskontrolle sowie eine ineffiziente Nutzung von Materialien und Reagenzien aus.
Die Mikrofluidik wurde in jüngster Zeit als effiziente Methode zur Herstellung von Liposomen unter kontrollierten, reproduzierbaren Bedingungen und mit hohem Durchsatz untersucht.
Die Mikrofluidik ermöglicht eine Reduzierung der verwendeten Volumina und der damit verbundenen Kosten, indem Flüssigkeiten in geometrisch begrenzten Kammern gehandhabt werden, die typischerweise durch Längenskalen im Mikrometerbereich und niedrige Reynolds-Zahlen gekennzeichnet sind.
Welche mikrofluidischen Geräte eignen sich für die Herstellung von Nanoliposomen?
Manche Chips können zudem einer speziellen Behandlung unterzogen werden, die die Größe oder Zusammensetzung der Nanoliposomen beeinflusst. In diesem Abschnitt werden wir daher die verschiedenen vorhandenen Geometrien sowie Beispiele aus der Fachliteratur betrachten, um die daraus resultierenden Anwendungsmöglichkeiten zu bewerten.
Herringbone-Mischer zur Herstellung von Lipid-Nanopartikeln
In jüngster Zeit wurde das Mikromischen nach der Herringbone-Methode untersucht, das im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren große Vorteile hinsichtlich der Effizienz bei der Liposomenproduktion aufweist.
So konnten beispielsweise PEGylierte Liposomen mithilfe eines Herringbone-Mischers erfolgreich hergestellt werden. Bei diesem Gerät handelt es sich um einen chaotischen Advektionsmischer, der die für Mikrokanäle typische laminare Strömung aufbrechen und die für die Herstellung der Liposomen benötigte Zeit verkürzen kann.
Das spezifische Muster der Vorrichtung aus Fischgrätenrillen sorgt für eine Umverteilung der Flüssigkeiten, indem es eine Querströmung im Mikrokanal erzeugt. Die Scheitelpunkte der Rillen sind um etwa ein Drittel der Kanalbreite versetzt, wodurch durch die Rillen zwei gegenläufige Wirbel entstehen. Die nachfolgende Reihe von Fischgrätenrillen mit einer spiegelbildlichen Ausrichtung der Wirbel ermöglicht die Erzeugung eines vollständigen Mischzyklus, wie in Abb. 2 dargestellt.
The alternation of these herringbone sets reorients the flow periodically and strongly improves the mixing. This microfluidic preparation method allows the controlled creation of liposomes of different sizes (∼100 nm) and good dispersity (< 0.2). By changing the flow rate parameters and the formulations in terms of aqueous buffer, phospholipid concentrations and composition it is possible to finely tune the production of liposomes with the desired features.
Zur Veranschaulichung dieses Konzepts schlägt das Team um Leug et al. (2015) ein allgemeines Verfahren zur Einkapselung von Makromolekülen (SiRNA) in ein Lipid-Nanopartikel-System vor. Mithilfe eines Herringbone-Mikromixers gelang es ihnen, Nanopartikel mit einem Durchmesser von 40 bis 140 nm herzustellen.
Es gibt zahlreiche Techniken und damit auch viele Geometrien, mit denen sich Nanopartikel erzeugen lassen. Die hier vorgestellten Informationen sollen Ihnen dabei helfen, Ihr mikrofluidisches Gerät entsprechend Ihren Anwendungszwecken und der Größe der Nanopartikel, die Sie erzeugen möchten, auszuwählen.
Tröpfchengenerator zur Herstellung von Lipid-Nanopartikeln
In der Regel fließen drei Ströme in denselben mikrofluidischen Kanal zusammen, wie in Abb. 3 dargestellt. Dies ist das typische Muster mikrofluidischer Vorrichtungen, die sich zur Erzeugung von Tröpfchen eignen. Wie Sie sehen können, wird eine alkoholische Phospholipidlösung in einen zentralen Kanal injiziert, der von zwei seitlichen wässrigen Lösungen flankiert wird.
Der lipidhaltige Strom wird gebündelt, und dank:
- Die niedrige Reynolds-Zahl.
- Die Diffusion, die vom Stofftransport bestimmt wird.
Der Alkohol diffundiert in die wässrige Lösung, und seine Konzentration im zentralen Strom beginnt zu sinken. Sobald er eine kritische Konzentration erreicht, die unterhalb der Löslichkeit der Phospholipide liegt, ordnen sich diese spontan durch Selbstorganisation zu Liposomen an.
Das Verhältnis der Volumenströme der Lipid- und der Wasserphase sowie der Gesamtstrom beeinflussen die Größe der erhaltenen Liposomen, und durch deren Anpassung lässt sich die Herstellung kontrolliert steuern.
Schließlich zeigten Karnik et al. im Jahr 2008, dass es möglich ist, Nanopartikel mittels Strömungsfokussierung in hochmonodisperser Form herzustellen. Tatsächlich gelang es dem Team, Nanopartikel mit einem Durchmesser von 31 nm (± 1 nm) herzustellen. Dabei variiert die Größe je nach Zusammensetzung der Nanopartikel.
Die Y-förmige Mikrofluidikvorrichtung zur Herstellung von Lipidnanopartikeln
Dieses Design ermöglicht es, zwei Flüssigkeiten (in der Regel eine wässrige Lösung, die Tenside enthält, und eine Lipidlösung in Verbindung mit einem Lösungsmittel) miteinander in Kontakt zu bringen und anschließend im Sammelkanal eine Nanopräzipitation stattfinden zu lassen. Unter Nanopräzipitation versteht man die Aggregation von Nanopartikeln in Zeit und Raum.
Das Team um Roces et al. (2020) verwendete einen Y-förmigen Mikromischer zur Herstellung von Lipidnanopartikeln. Mit dieser Vorrichtung wurden Nanopartikel mit einem Durchmesser von 100 bis 200 nm erzeugt. Die Größe dieser Nanopartikel wird nach der Filtration erheblich reduziert, wodurch Nanolipide mit einer Größe zwischen 50 und 80 nm und einem Polydispersitätsindex von 0,2 gewonnen werden können.
Die koaxiale 3D-Kapillaranordnung zur Herstellung von Lipidnanopartikeln
Diese Vorrichtungen bieten die Möglichkeit, koaxiale 3D-Strömungen zu erzeugen, die für einen schnellen und gleichmäßigen Stoffaustausch unerlässlich sind. Die mikrofluidische Kapillaranordnung mit Gleichstromströmung besteht aus zwei Kapillaren. Eine sich verjüngende Glaskapillare wurde koaxial in eine andere, größere zylindrische Kapillare eingeführt. Die innere Flüssigkeit (eine wässrige Lösung, die Tensid enthält) fließt innerhalb der inneren zylindrischen Kapillare, während die äußere Flüssigkeit (eine Lipidlösung, die mit einem Lösungsmittel gekoppelt ist) zwischen der inneren und der äußeren zylindrischen Kapillare fließt.
Mit dieser mikrofluidischen Vorrichtung veröffentlichten Liu et al. im Jahr 2015 eine Arbeit, in der sie die Erzeugung von Lipidnanopartikeln mit einem Durchmesser zwischen 70 und 280 nm und einem Polydispersitätsindex nahe 0,1 beschrieben. Diese Größe entwickelt sich in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl aufgrund des Vorhandenseins von Kapillaren.
Abschließende Überlegungen
Es gibt zahlreiche Verfahren und damit auch zahlreiche Geometrien, mit denen sich Nanopartikel erzeugen lassen. Die hier vorgestellten Informationen sollen Ihnen dabei helfen, das für Ihre Anwendungen und die Größe der zu erzeugenden Nanopartikel geeignete Mikrofluidik-System auszuwählen.
Darwin Microfluidics engagiert sich für diese Revolution. Wir bieten innovative mikrofluidische Geräte für die Liposomenherstellung an, und unser Team aus erfahrenen Wissenschaftlern und PhDs bietet Forschern die Unterstützung, die sie benötigen, um bei ihren Aktivitäten erfolgreich zu sein.
🧠 Was du dir merken musst
- Liposomen oder Lipidnanopartikel sind geschlossene Vesikel, die häufig zur Einkapselung verschiedener Moleküle wie DNA, Proteine, Wirkstoffe und/oder anderer chemischer Substanzen verwendet werden.
- Mikrofluidische Verfahren bieten eine Alternative zur Herstellung von Lipidnanopartikeln, bei der Größe und Zusammensetzung besser kontrolliert werden können.
- Die Durchflussratenverhältnisse zwischen den Strömen der Lipid- und der Wasserphase lassen sich zusammen mit der Gesamtdurchflussrate so einstellen, dass Liposomen der gewünschten Größe erhalten werden.
- By adjusting parameters such as the flow rate and formulation components, it is possible to achieve precise control over the size (<100 nm) and dispersity (< 0.2) of the liposomes.
