L'intérêt pour la génération de nanoparticules lipidiques a crû au cours de la dernière décennie. En effet, ces nanoliposomes présentent de nombreux avantages, tels que la possibilité de combiner différentes substances thérapeutiques, de protéger les principes actifs contre les altérations, de contrôler la diffusion des substances dans l'organisme, ou encore la possibilité d'une stérilisation complète par filtration.
Qu'est-ce qu'un nanoliposome ?
Les nanoliposomes ou nanoparticules lipidiques sont souvent composés d'une ou plusieurs couches lamellaires. Ces couches comprennent une bicouche phospholipidique qui contient un petit volume de liquide aqueux. Le diamètre des nanoliposomes peut varier de quelques dizaines de nanomètres à des centaines de micromètres selon la méthode utilisée pour les générer.
Les phospholipides et les lipides sont les principaux composants des membranes liposomales. Ils ont la particularité d'être solubles dans divers solvants organiques et c'est précisément pour cette propriété que la plupart des méthodes actuelles utilisent des solvants organiques pour solubiliser les lipides comme première étape du protocole.
The rise of microfluidics opens a new door for the preparation of lipid-based nanoparticles. Microfluidic methods have demonstrated their ability to control the mixing process of the organic and aqueous phases, but also the size and thus obtain a high monodispersity as well as the possibility to play on the design of the microfluidic chip to vary the composition and size of the obtained nanoliposomes.
Avantages de l'utilisation de la microfluidique pour générer des nanoliposomes
Les méthodes les plus anciennes et traditionnelles pour la préparation des liposomes consistent en des techniques dites à macro-échelle ou en batch, basées sur la déshydratation initiale de films lipidiques suivie du processus de gonflement et de la manipulation mécanique finale pour créer les bicouches dispersées dans l'eau. Cependant, ces méthodes se caractérisent par une faible reproductibilité, un contrôle de processus limité et une utilisation inefficace des matériaux et réactifs.
La microfluidique a été récemment étudiée comme une méthode efficace pour la préparation de liposomes de manière contrôlée, reproductible et à haut débit.
La microfluidique permet une réduction des volumes utilisés et des coûts associés en manipulant des fluides dans des compartiments géométriquement contraints, typiquement caractérisés par des échelles de longueur micrométriques et de faibles nombres de Reynolds.
Quels dispositifs microfluidiques utiliser pour la préparation de nanoliposomes ?
Certaines puces peuvent également avoir un traitement spécifique, ce qui influencera la taille ou la composition des nanoliposomes. Dans cette section, nous examinerons donc les différentes géométries existantes et des exemples tirés de la littérature pour évaluer les applications qui en résultent.
Herringbone mixer for Lipid Nanoparticles production
Recently, micromixing through the Herringbone method has been investigated and shows great advantages among the other preparation methods in terms of liposome production efficiency.
For example, PEGylated liposomes were successfully prepared by using a Herringbone Mixer . This device is a chaotic advection mixer able to disrupt the laminar flow typical of microchannels, and reduce the time needed for the liposomes preparation process.
The specific pattern of the device made of herringbone grooves redistributes the fluids by creating a transverse flow into the microchannel. The vertices of the grooves are offset to approximately one third of the width of the channel and two counter-rotating vortices are created by the grooves. The subsequent set of herringbone groves with a mirrored orientation of the vortices allow the creation of a full mixing cycle as shown in the Fig.2.
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.
To illustrate this design, the team of Leug et al. (2015) proposes a general method for encapsulating macromolecules (SiRNA) in a lipid nanoparticle system. They were able to generate nanoparticles from 40 to 140 nm in diameter using a herringbone micromixer.
There are many techniques, and therefore many geometries, that allow you to generate nanoparticles. The information presented here will help you choose your microfluidic device according to your applications and the size of the nanoparticles you wish to generate.
Droplet generator for Lipid Nanoparticles production
Typically, three flows merge in the same microfluidic channel as showed in Fig.3. This is the typical pattern of microfluidic devices suitable for the generation of droplets. As you can see a phospholipid alcoholic solution is injected in a central channel flanked by two lateral aqueous solutions.
Le flux contenant les lipides est focalisé, et grâce à :
- Le faible nombre de Reynolds.
- La diffusion dominée par le transfert de masse.
L'alcool diffuse dans la solution aqueuse et sa concentration dans le flux central commence à diminuer. Lorsqu'il atteint une concentration critique inférieure à la solubilité des phospholipides, ceux-ci s'organisent spontanément en liposomes par auto-assemblage.
The volumetric flow rate ratio between the lipid and water phase streams, together with the total flow rate, influence the size of the obtained liposomes and their adjustment allows a controlled preparation.
Finally, Karnik et al. showed in 2008 that it is possible to generate nanoparticles by flow focusing in a highly monodisperse manner. Indeed, the team is able to produce nanoparticles of 31 nm in diameter (± 1 nm). Here, the size varies according to the composition of the nanoparticles.
Le dispositif microfluidique en Y pour la production de nanoparticules lipidiques.
This design allows two fluids (usually an aqueous solution containing surfactant and a lipid solution coupled to a solvent) to be brought into contact with each other and then allow nanoprecipitation to occur in the collection channel. Nanoprecipitation is the aggregation of nanoparticles in time and space.
L'équipe de Roces et al. (2020) a utilisé un micromélangeur en forme de Y pour développer des nanoparticules lipidiques. Ce dispositif a été utilisé pour générer des nanoparticules de 100 à 200 nm de diamètre. La taille de ces nanoparticules est considérablement réduite après filtration, ce qui permet d'obtenir des nanolipides entre 50 et 80 nm avec un indice de polydispersité de 0,2.
The 3D coaxial capillary device for Lipid Nanoparticles production
These devices offer the possibility of creating 3D coaxial flows, which are essential for rapid and uniform mass transfer. The co-current capillary microfluidic device consists of two capillaries. A tapered glass capillary was inserted into another larger cylindrical capillary with a coaxial alignment. The inner fluid (aqueous solution containing surfactant) flows inside the inner cylindrical capillary, while the outer fluid (a lipid solution coupled to a solvent) flows between the inner and outer cylindrical capillaries.
Avec ce dispositif microfluidique, Liu et al. ont publié un article en 2015 soulignant la génération de nanoparticules lipidiques d'un diamètre compris entre 70 et 280 nm avec un indice de polydispersité proche de 0,1. Cette taille évolue en fonction du nombre de Renolds en raison de la présence de capillaires.
Considérations finales
Il existe de nombreuses techniques, et donc de nombreuses géométries, qui permettent de générer des nanoparticules. Les informations présentées ici vous aideront à choisir votre dispositif microfluidique en fonction de vos applications et de la taille des nanoparticules que vous souhaitez générer.
Darwin Microfluidics is committed to this revolution. We provide innovative microfluidic devices for liposome preparation and our staff of experienced scientists and PhDs offer the support that researchers need to be successful in their activities.
🧠 Ce qu'il faut retenir
- Les liposomes ou nanoparticules lipidiques sont des vésicules fermées largement utilisées pour l'encapsulation de différents types de molécules telles que l'ADN, les protéines, les médicaments et/ou d'autres produits chimiques.
- Les méthodes microfluidiques offrent une approche alternative pour préparer des nanoparticules lipidiques avec un contrôle amélioré de la taille et de la composition.
- Flow rate ratios between lipid and water phase streams, together with total flow rate, can be adjusted to obtain liposomes of desired size.
- 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.
