天津大学段学欣团队: 声涡流受限的微流控平台用于脂质体合成

学术   科学   2024-07-10 10:02   上海  

研究背景

脂质体因其出色的载体特性一直备受瞩目。其中,它的粒径参数在药物递送效果中扮演着至关重要的角色。微流控技术得益于在微尺度精确控制反应过程的能力,近年来被广泛应用于微纳材料合成的相关研究。

目前已有很多脂质体合成平台被报道,可以分为流动聚焦和快速混合两种。尽管如此,基于微流控技术的脂质体合成在流速依赖性、复杂的芯片结构和微通道堵塞等方面仍存在一些不足。

研究内容

近日,天津大学段学欣教授带领研究团队提出了一种基于超高频体声波谐振器的新型脂质体合成平台。该平台结合了流动聚焦和快速混合的特点,实现了尺寸可控的脂质体合成。

  • 图1.(A)平台示意图。荧光插图为器件关和开时的流动分布,比例尺为 200 μm。(B)谐振器的俯视图。其中谐振区为顶电极与底电极重叠的部分(红色虚线框),比例尺为 250 μm。(C)谐振器截面示意图,未按比例绘制。

该工作探究了谐振器形状和取向对微流道中层流分布的影响,并通过对两者的集成设计,将工作区分为声流重新定义的流动聚焦(ASHFF)区和涡流诱导的混合区两部分。ASHFF 区将入口处三相层流的中间相分割为两股平行的层流,而混合区则通过微涡流曾强对流混合并打破层流。通过控制输入功率调节 ASHFF 区和混合区的长度,控制脂质的分散过程,从而实现对合成产物的粒径和多分散系数 (PDI) 的调控。

  • 图2.(A)不同功率和流速条件的荧光分布。比例尺为 200 μm。(B)不同流速和功率条件的混合指数。(C)总流速为 42 μL/min,ASHFF 区和混合区的长度分布。黄色虚线表示 ASHFF 区,蓝色虚线表示混合区。比例尺,200 μm。(D)不同功率和流速条件,ASHFF 长度比例的统计。纵坐标为ASHFF区长度在总长度的中的占比,横坐标为谐振器的输入功率。


作者通过对合成产物结果的表征,验证了该平台用于粒径可控的脂质体合成的可行性。透射电镜图(TEM)表明得到的脂质体呈纳米级结构,动态光散射测量结果说明在流速不变的条件下,产物的粒径和分散系数(PDI)随输入功率的增加而减小。并且通过对 ASHFF 区的长度占比相近的功率和流动条件的粒径分布进行比较,说明在不同的流速条件下,通过调节功率,能够得到粒径分布相近的产物,说明该平台具有低流速依赖性的特点。

  • 图3. 合成的脂质体表征。(A)透射电子显微镜(TEM)图像。(B)不同功率条件合成脂质体的粒径分布。(C)不同功率条件合成脂质体的平均粒径和多分散系数(PDI)。(D)总流速 10.5 μL/min、21 μL/min 和 42 μL/min,分别对应功率为120 mW、320 mW 和 620 mW 的粒径分布。(E)粒径可控的脂质体形成过程示意图。


这项工作通过对谐振器的形状、位置与微流道芯片结构的匹配设计,搭建了一个新型脂质体合成平台。该平台将微流控合成中常用的流体聚焦和快速混合两种形式的特点相结合,通过调整输入功率调节流体聚焦区和混合区之间的长度比例,来控制脂质的分散过程,从而实现对产物粒径的调控。并且在流速恒定的条件下,仅通过调节功率就可以实现对粒径的控制,有效降低了平台对流速的依赖性,相比于大多数基于流速调控粒径的合成方法,产物浓度的可控性得到了有效提高。此外,该平台凭借其对反应条件的出色控制能力以及对多种反应物的广泛适用性,在多种材料合成和微化工过程控制方面都具有巨大的应用潜力。平台集成的微米级谐振器采用 MEMS 技术制造,这也为多通道并行和促进纳米粒子的高通量、自动化生产提供了一种可选择的方案。

该成果以“Microfluidic Confined Acoustic Streaming Vortex for Liposome Synthesis”(《声涡流受限的微流控平台用于脂质体合成》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Lab on a Chip 上。

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论文信息

Microfluidic Confined Acoustic Streaming Vortex for Liposome Synthesis

Huihui Xu, Zhaoxun Wang, Tiechuan Li and Xuexin Duan*段学欣,天津大学)

Lab Chip, 2024, 24, 2802-2810
https://doi.org/
10.1039/D4LC00184B

作者简介

徐慧慧 博士研究生

天津大学

本文第一作者,天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生,研究方向为基于微流控技术的药物载体制备平台的开发。






李铁川 博士

天津大学


本文共同通讯作者,天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生。







段学欣 教授
天津大学
本文通讯作者,天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、精密测试及仪器全国重点实验室副主任、天津大学 MEMS 国际联合研发中心主任、《Scientific Reports》编委、纳米技术与精密工程核心期刊主编、国际声流体学会委员(为该组织成立 16 年来首位入选的中国科学家)。段学欣教授主要从事微纳尺度的测量与控制、生物微纳机电系统、生物传感器、执行器,气体传感器,微流体芯片、声流体镊的应用基础研究以及医工结合的前沿应用研究。所在 M/NEMS 实验室聚焦应用于移动终端、物联网、虚拟现实、可穿戴设备、机器人、航空航天、生命生物等领域的 MEMS 传感器和纳米传感器、微执行器、微通讯器件等核心元件及系统的研发 (http://www.tjumbios.com/)。

相关期刊

Devices and applications at the micro- and nanoscale

rsc.li/loc

Lab Chip

2-年影响因子*6.1
5-年影响因子*6.3
JCR 分区*Q1 化学-分析
Q1 化学-跨学科

Q1
仪器仪表
Q1 生物医学研究方法
Q2 纳米科学与技术
CiteScore 分11.1
中位一审周期39 


Lab on a Chip 报道微米和纳米尺度上的微型化研究,力求发表在物理技术(微米或纳米级的制造、流控、系统集成、分析分离技术等)和应用潜力方面都具有高影响力的原创性工作。该刊最为看重的是论文的创新性,所发表的论文通常要在以下两个方面都有所创新:(i) 微型化器件的物理、工程和材料;(ii) 在生物学、化学、环境科学、食品科学、医学、能源等领域中的应用。

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    🇨🇳 南方科技大学

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    🇺🇸 佐治亚理工学院

  • Manabu Tokeshi
    🇯🇵 北海道大学

  • Hongkai Wu (吴洪开)
    🇨🇳🇭🇰 香港科技大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
 CiteScore 2023 by Elsevier
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