声学微流控技术助力纳米颗粒-囊泡混合物的高效制备-北京永康乐业科技发展有限公司

近期，苏黎世联邦理工学院化学与生物工程研究所的研究人员提出了一种新型的声学微流体设备（μSonicator），用于高效制备纳米颗粒-脂质囊泡混合物，并通过多种荧光技术对其进行定量表征，揭示了影响封装效率的关键操作参数和材料特性。相关研究以“Microfluidics-Driven Manufacturing and Multiscale Analytical Characterization of Nanoparticle-Vesicle Hybrids”为题目，发表在期刊《Advanced Healthcare Materials》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种声学微流体装置（μSonicator）和分析平台，用于制备纳米颗粒-囊泡杂化物，并通过多种基于荧光的技术（FRET、FCCS和超分辨显微镜）定量表征其覆盖率。

2、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米颗粒被成功包裹在脂质体和细胞外囊泡（EVs）中，封装效率高达70%。通过调整各种操作参数和材料特性（包括缓冲液组成、纳米颗粒/囊泡比率和囊泡刚度）来控制封装效率。

3、装置通过在微流体通道内生成声场，促进囊泡膜的开裂和纳米颗粒的封装。研究还验证了声场对不同尺寸颗粒的影响，并通过数值模拟优化了装置设计。

4、这种连续制造工艺具有高效性、可重复性和可扩展性，为纳米材料在生物医学领域的应用提供了新策略。

μSonicator是一种声学微流控设备，通过生成声场来促进纳米颗粒（NPs）与脂质囊泡混合物的形成。其工作原理如下：

μSonicator由多个压电元件组成，这些元件被粘合到一个圆形玻璃毛细管上。当施加交变电压时，压电元件振动，从而在毛细管内产生声场。声场的作用使得囊泡膜部分打开，释放囊泡内的内容物（如蛋白质），为纳米颗粒的包覆创造条件。
在声场的作用下，纳米颗粒与打开的囊泡膜相互作用，促进纳米颗粒的包覆和混合，形成纳米颗粒-囊泡混合物。此外，通过调节流速、声场强度、缓冲液成分和囊泡刚性等操作参数，可以进一步优化混合和包覆的效率。

使用脂质膜包被纳米颗粒具有多种优势，主要包括：

1、提高生物相容性：脂质膜是生物体内常见的结构，能够有效降低纳米颗粒的免疫原性，减少细胞毒性和非特异性清除，从而提高其在体内的生存时间和治疗效果。

2、靶向性增强：脂质膜可以通过设计特定的表面标记或配体，增强纳米颗粒对特定细胞或组织的靶向性，提高药物传递的效率。

3、保护药物：脂质膜能够有效包裹和保护纳米颗粒内部的药物或生物活性物质，防止其在体内环境中降解，从而提高药物的稳定性和生物利用度。

4、改善药物释放特性：通过调节脂质膜的组成和结构，可以实现对药物释放速率的控制，达到缓释或靶向释放的效果。

5、多功能性：脂质膜可以与其他生物分子（如抗体、核酸等）结合，赋予纳米颗粒更多的功能，实现多重治疗或诊断效果。

综上所述，脂质膜包被纳米颗粒的策略为生物医学应用提供了更高的安全性和有效性，推动了纳米药物的临床转化。

在纳米颗粒与脂质囊泡形成混合物的过程中，可以通过调整以下操作参数来控制封装效率：

1、声场强度：施加的电压会影响声场的强度。研究表明，超过40 Vpp的声场强度是形成混合物的阈值，较高的声场强度可以提高包覆效率。

2、停留时间：通过改变流速来调节颗粒在声场中的停留时间。延长停留时间可以提高混合效率，但过长的时间可能导致颗粒聚集。

3、缓冲液成分：改变缓冲液的离子强度可以影响纳米颗粒和囊泡之间的静电相互作用。增加离子强度有助于屏蔽这些排斥力，从而促进混合。

4、囊泡与纳米颗粒的比例：提高囊泡的浓度相对于纳米颗粒的比例可以增加混合的可能性。研究发现，最佳的囊泡与纳米颗粒比例约为5:1，可以达到最高的共定位效率。

5、囊泡的刚性：囊泡的机械性能对混合效率有显著影响。较软的囊泡（如POPC脂质体）相比于较硬的囊泡（如DSPC脂质体）更容易与纳米颗粒结合，从而提高混合效率。

图1.A）μSonicator的图示。将规定频率的交流电施加到压电装置上，使其振动并在毛细管内产生声场，从而形成囊泡-NP杂化物。B）μSonicator的图像。参照为直径27.40毫米的硬币。

图2.A）μSonicator横截面模型。B）在1.75MHz激励频率下模拟玻璃毛细管横截面中的声压分布。C）在声场关闭和打开的情况下，100nm聚苯乙烯颗粒在微流体通道中的分布。由于声场的作用，颗粒在毛细管中迁移。通道中的叠加-荧光强度分布。最低值已标准化为0。虚线表示三次重复的标准偏差。D）模拟不同激励频率下的平均声能密度（Eac）。