Das Interesse an der Herstellung von Lipid-Nanopartikeln ist im letzten Jahrzehnt stetig gewachsen. Tatsächlich bieten diese Nanoliposome zahlreiche Vorteile, wie etwa die Möglichkeit, verschiedene therapeutische Substanzen zu kombinieren, die Wirkstoffe vor Veränderungen zu schützen, die Diffusion von Substanzen im Körper zu kontrollieren oder sogar die vollständige Sterilisation durch Filtration.
Was ist ein Nanoliposom?
Nanoliposome oder Lipid-Nanopartikel bestehen häufig aus einer oder mehreren lamellaren Schichten. Diese Schichten umfassen eine Phospholipid-Doppelschicht, die ein kleines Volumen einer wässrigen Flüssigkeit einschließt. Der Durchmesser von Nanoliposomen kann je nach Herstellungsverfahren von einigen Zehntelnanometern bis zu mehreren Hundert Mikrometern variieren.
Phospholipide und Lipide sind die Hauptbestandteile liposomaler Membranen. Sie haben die Besonderheit, in verschiedenen organischen Lösungsmitteln löslich zu sein, und genau aufgrund dieser Eigenschaft verwenden die meisten gängigen Verfahren organische Lösungsmittel, um die Lipide als ersten Schritt des Protokolls zu solubilisieren.
Der Aufstieg der Mikrofluidik eröffnet neue Möglichkeiten für die Präparation lipidbasierter Nanopartikel. Mikrofluidische Verfahren haben ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, den Mischprozess der organischen und wässrigen Phase sowie die Partikelgröße präzise zu steuern, wodurch eine hohe Monodispersität erreicht wird. Zudem lässt sich durch das Design des mikrofluidischen Chips die Zusammensetzung und Größe der entstehenden Nanoliposome gezielt beeinflussen.
Vorteile der Mikrofluidik bei der Herstellung von Nanoliposomen
Die ältesten und traditionellen Methoden zur Präparation von Liposomen basieren auf makroskopischen Techniken oder Batch-Verfahren, bei denen zunächst Lipidfilme dehydratisiert werden, gefolgt von einem Quellprozess und einer abschließenden mechanischen Behandlung zur Erzeugung wasserdispergierter Doppelschichten. Diese Methoden zeichnen sich jedoch durch mangelnde Reproduzierbarkeit, eine eingeschränkte Prozesskontrolle sowie eine ineffiziente Nutzung von Materialien und Reagenzien aus.
Die Mikrofluidik wurde kürzlich als effiziente Methode zur Herstellung von Liposomen untersucht, die eine kontrollierte, reproduzierbare und durchsatzstarke Produktion ermöglicht.
Die Mikrofluidik ermöglicht eine Reduzierung der verwendeten Volumina und der damit verbundenen Kosten, indem Flüssigkeiten in geometrisch begrenzten Bereichen gehandhabt werden, die typischerweise durch Abmessungen im Mikrometerbereich und niedrige Reynolds-Zahlen gekennzeichnet sind.
Welche mikrofluidischen Geräte sollten für die Nanoliposomen-Präparation verwendet werden?
Einige Chips können zudem eine spezifische Oberflächenbehandlung aufweisen, welche die Größe oder Zusammensetzung der Nanoliposome beeinflusst. In diesem Abschnitt betrachten wir daher die verschiedenen vorhandenen Geometrien sowie Beispiele aus der Fachliteratur, um die daraus resultierenden Anwendungen zu bewerten.
Herringbone-Mischer für die Produktion von Lipid-Nanopartikeln
Kürzlich wurde das Mikromischen mithilfe der Herringbone-Methode untersucht, die im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren erhebliche Vorteile hinsichtlich der Effizienz der Liposomenproduktion aufweist.
Beispielsweise wurden pegylierte Liposomen erfolgreich unter Verwendung eines Herringbone-Mischers hergestellt. Bei diesem Gerät handelt es sich um einen Mischer mit chaotischer Advektion, der in der Lage ist, die für Mikrokanäle typische laminarströmung zu stören und die für den Liposomenherstellungsprozess benötigte Zeit zu verkürzen.
Das spezifische Muster des Geräts, das aus fischgrätenartig angeordneten Rillen (Herringbone-Grooves) besteht, redistributiert die Flüssigkeiten durch die Erzeugung einer Querströmung im Mikrokanal. Die Scheitelpunkte der Rillen sind auf etwa ein Drittel der Kanalbreite versetzt, wodurch zwei gegenläufig rotierende Wirbel erzeugt werden. Die nachfolgende Anordnung von Herringbone-Rillen mit spiegelbildlich orientierten Wirbeln ermöglicht die Durchführung 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 Designs schlägt das Team von Leung et al. (2015) eine allgemeine Methode zur Verkapselung von Makromolekülen (siRNA) in einem Lipidnanopartikelsystem vor. Sie konnten mithilfe eines Fischgräten-Mikromischers Nanopartikel mit einem Durchmesser von 40 bis 140 nm generieren.
Es gibt zahlreiche Techniken und folglich auch Geometrien, die die Erzeugung von Nanopartikeln ermöglichen. Die hier präsentierten Informationen unterstützen Sie bei der Auswahl Ihres mikrofluidischen Chips gemäß Ihren Anwendungsbereichen und der gewünschten Größe der Nanopartikel.
Tröpfchengenerator für die Herstellung von Lipidnanopartikeln
Typischerweise fließen drei Ströme im selben mikrofluidischen Kanal zusammen, wie in Abb. 3 dargestellt. Dies ist das typische Muster mikrofluidischer Vorrichtungen, die für die Erzeugung von Tröpfchen geeignet sind. Wie zu sehen ist, wird eine alkoholische Phospholipidlösung in einen zentralen Kanal injiziert, der von zwei lateralen wässrigen Lösungen flankiert wird.
Der lipidhaltige Strom wird fokussiert, und zwar dank:
- Der niedrigen Reynolds-Zahl.
- Der durch den Massentransfers dominierten Diffusion.
Der Alkohol diffundiert in die wässrige Lösung, und seine Konzentration im zentralen Strom beginnt abzusinken. Sobald er eine kritische Konzentration unterhalb der Löslichkeitsgrenze der Phospholipide erreicht, organisieren sich diese spontan in Form einer Selbstanordnung zu Liposomen.
Das Volumenstromverhältnis zwischen den Strömen der Lipid- und der Wasserphase beeinflusst zusammen mit dem Gesamtdurchfluss die Größe der erhaltenen Liposomen; deren Justierung ermöglicht eine kontrollierte Präparation.
Schließlich zeigten Karnik et al. im Jahr 2008, dass es möglich ist, Nanopartikel durch Flow-Focusing in einer hochgradig monodispersen Form zu erzeugen. Tatsächlich ist das Team in der Lage, Nanopartikel mit einem Durchmesser von 31 nm (± 1 nm) herzustellen. Hier variiert die Größe je nach Zusammensetzung der Nanopartikel.
Der Y-förmige mikrofluidische Chip für die Herstellung von Lipidnanopartikeln
Dieses Design ermöglicht es, zwei Fluide (in der Regel eine tensidhaltige wässrige Lösung und eine an ein Lösungsmittel gekoppelte Lipid Lösung) miteinander in Kontakt zu bringen und die Nanopräzipitation anschließend im Sammelkanal ablaufen zu lassen. Bei der Nanopräzipitation handelt es sich um die Aggregation von Nanopartikeln in Zeit und Raum.
Das Team von Roces et al. (2020) nutzte einen Y-förmigen Mikromischer zur Entwicklung von Lipid-Nanopartikeln. Diese Vorrichtung wurde verwendet, um Nanopartikel mit einem Durchmesser von 100 bis 200 nm zu generieren. Die Größe dieser Nanopartikel wird nach der Filtration beträchtlich reduziert, wodurch sich Nanolipide zwischen 50 und 80 nm mit einem Polydispersitätsindex von 0,2 erhalten lassen.
Die koaxiale 3D-Kapillareinrichtung zur Herstellung von Lipidnanopartikeln
Diese Vorrichtungen bieten die Möglichkeit, koaxiale 3D-Ströme zu erzeugen, die für einen raschen und gleichmäßigen Massentransfer unerlässlich sind. Die mikrofluidische Co-Flow-Kapillaranordnung besteht aus zwei Kapillaren. Eine verjüngte Glaskapillare wurde koaxial in eine andere, größere zylindrische Kapillare eingeführt. Das innere Fluid (tensidhaltige wässrige Lösung) fließt innerhalb der inneren zylindrischen Kapillare, während das äußere Fluid (eine an ein Lösungsmittel gekoppelte Lipid Lösung) zwischen der inneren und der äußeren zylindrischen Kapillare fließt.
Mit diesem mikrofluidischen Chip veröffentlichten Liu et al. im Jahr 2015 eine Arbeit, die die Erzeugung von Lipid-Nanopartikeln mit einem Durchmesser zwischen 70 und 280 nm und einem Polydispersitätsindex nahe 0,1 aufzeigt. Diese Größe entwickelt sich in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl aufgrund der Präsenz der Kapillaren.
Abschließende Überlegungen
Es gibt zahlreiche Techniken und folglich auch Geometrien, die die Erzeugung von Nanopartikeln ermöglichen. Die hier präsentierten Informationen unterstützen Sie bei der Auswahl Ihres mikrofluidischen Chips gemäß Ihren Anwendungsbereichen und der gewünschten Größe der Nanopartikel.
Darwin Microfluidics engagiert sich für diese Revolution. Wir bieten innovative mikrofluidische Vorrichtungen für die Liposomenpräparation an, und unser Team aus erfahrenen Wissenschaftlern und PhDs bietet die Unterstützung, die Forscher benötigen, um bei ihren Aktivitäten erfolgreich zu sein.
🧠 Was Sie sich merken sollten
- Liposomen oder Lipid-Nanopartikel sind umschlossene Vesikel, die häufig für die Verkapselung verschiedenster Moleküle wie DNA, Proteinen, Wirkstoffen und/oder anderen Chemikalien eingesetzt werden.
- Mikrofluidische Verfahren bieten einen alternativen Ansatz zur Herstellung von Lipid-nanopartikeln mit verbesserter Kontrolle über Größe und Zusammensetzung.
- Die Flussratenverhältnisse zwischen Lipid- und Wasserphasenströmen sowie die Gesamtdurchflussrate können angepasst werden, um Liposomen der gewünschten Größe zu erhalten.
- 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.
