Door microfluïdica ondersteunde synthese van op stimuli reagerende chitosan-microgels voor toepassingen voor medicijnafgifte

De microscopie en tweedimensionale beelden van mechanismevorming van CS + DOX-microgeldruppelbevel, (a) lag-fase, (b) vulfase, (c) insnoeringsfase, (d) onthechting. De CS + DOX en plantaardige olie fasesnelheden werden aangepast op 3,3 en 11,1 mm/s. De concentratie van CS en DOX zijn respectievelijk 0,2% en 13,75 (µg/ml). Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-12031-9

Druppelmicrofluïdica bieden een robuust platform voor het synthetiseren en functionaliseren van micro- en nanodeeltjes in een reeks toepassingen, waaronder medicijnafgifte, screening, lab-on-a-chip en organ-on-a-chip-toepassingen, in chemische en biomedische technologie. Chitosan is een biomateriaal geschikt voor diverse biomedische toepassingen, waaronder antibacteriële bio-activiteiten met immuunversterkende en kankerbestrijdende eigenschappen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten, Omid Sartipzadeh en een interdisciplinair onderzoeksteam in medische nanotechnologie, biomaterialen en weefseltechnologie, in Teheran, Iran, beschreven de rol van chitosan-druppeltjes in een microfluïdische chip. De resultaten gaven aan hoe verschillende afmetingen en geometrieën van de chitosan-druppeltjes konden worden vastgesteld door de parameters voor verschillende doeleinden te variëren, waaronder medicijnafgifte, weefselengineering en celinkapseling. Het team voerde een experimenteel onderzoek uit dat overeenkwam met de simulatieresultaten om de resultaten te bevestigen.

Weefselengineering en microfluïdica

Monodisperse micro- en nanodeeltjes hebben veel aandacht getrokken over lab-on-a-chip instrumentenen biosensoren voor een scala aan toepassingen in tissue engineering. Materiaalwetenschappers en bio-ingenieurs hebben veel pogingen ondernomen om op verzoek uniforme micro- en nanodeeltjes te genereren. De grensvlakspanningen tussen fasen hebben het echter moeilijk gemaakt om geschikte micro- en nanodeeltjes te voorzien van van hoge kwaliteit. Omdat typische technieken kostbaar, complex en tijdrovend zijn, proberen onderzoekers monodisperse micro- en nanodeeltjes te genereren met on-demand morfologie, vormen en afmetingen.

In dit werk onderzochten Sartipzadeh et al. de generatiesnelheden van microfluïdische druppeltjes, inclusief stroomsnelheid via COMSOL Multifysica simulatorsoftware om praktische microfluïdische chips te ontwikkelen voor dubbele chitosan-olie-chitosan-emulsies. Ze experimenteerden eerst met een model van computationele vloeistofdynamica om de configuratie en kenmerken van druppeltjes te begrijpen om een ​​stroomgericht microkanaal te creëren. Met behulp van de simulaties hebben ze een aanpak verkregen om meer inzicht te krijgen in het complexe on-chip proces. De resultaten stelden het team in staat om twee niet-mengbare vloeistoffen en hun snelheid te combineren om druppelvorming, druppeldiameter en hun generatiesnelheid te onderzoeken.

Het patroon van de MFFD toegepast in simulaties: mazen en grenssituaties gespecificeerd voor de microfluïdische druppel-generatrix in het tweedimensionale model. Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-12031-9

De strategie

Sartipzadeh et al. ontwikkelden de experimentele methoden met het oog op de uitkomsten van de simulatie. Ze onderzochten de fysische en chemische eigenschappen van chitosan en doxorubicine; een type van antracycline/chemotherapie-medicijn, in verhouding tot druppelgrootte en snelheid van druppelvorming. Het team bepaalde het patroon en de snelheid van de componenten met behulp van een microfluidics flow-focusing device (MFFD) om de druppelgrootte en productiesnelheden te bepalen. Op basis van de resultaten bereikte het team een ​​uitgebreide methode om microfluïdische druppeltjes te maken. De MFFD’s handhaafden in- en uitlaatleidingen om verspreide en niet-mengbare vloeistofstromen die op een kruispunt met elkaar in botsing kwamen, te reguleren. De wetenschappers merkten op hoe de druppeltjes stroomafwaarts van het hoofdkanaal stuurden op basis van de drukgradiënt en snelheidsstroom van de opstelling om vier stroomniveaus te vormen. De bijbehorende snapshots van de simulaties illustreerden de druppelconfiguratie als een ondergeschikte van de tijd met variërende concentraties van chitosan en doxorubicine. Sartipzadeh et al ontwierpen en ontwikkelden het patroon van microfluïdische stroomvorming op siliciumwafels met behulp van zachte lithografieen giet de mal van het microfluïdische stroomfocusapparaat met polydimethylsiloxaan. Het team bond de mal van chippatronen op een objectglaasje via zuurstofplasma en injecteerde vervolgens de bestanddelen in de chip met behulp van twee pompen om de mechanismen van de gecombineerde productie van microgeldruppels te onderzoeken.

Dynamiek van druppelvorming

De CS (chitosan) met een concentratie van 0,2% en 13,75 mg DOX (doxorubicine) per ml CS-oplossing. De scanning elektronenmicroscoop (SEM) van uitkomst CS + DOX microgel druppel van experimenteel resultaat dat de volumetrische stroomsnelheid van CS + DOX-fase 3,3 mm/s was en de volumetrische stroomsnelheid van de oliefase 11,1 mm/s was. Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-12031-9

Het team onderzocht de dynamiek van drukgerichte vloeistofdruppelvorming, waar ze een significante toename van de druk opmerkten in vergelijking met de druk voor en na het proces. Het fenomeen berustte op de kracht van druk, schuifspanning en oppervlaktespanning. Toen de druk en schuifspanning groter waren dan de oppervlaktetrekkracht, begon de druppel dikker en dunner te worden. Bovendien was de krachtbalans tussen de parameters druk, schuifspanning en oppervlaktespanning afhankelijk van de fysieke eigenschappen van de van belang zijnde oplossingen. Het team onderzocht de concentratie van de bestanddelen, in verhouding tot de afmetingen van de druppel, en gaf een evenwicht aan tussen: schuifkracht en grensvlakspanning. Ze berekenden de vloeistofstroom en het effect ervan op verschillende toepassingen, waaronder: lab-on-chip immunoassays, en berekende de grootte van druppeltjes ten opzichte van de samenstellende concentraties, inclusief de frequentie van het genereren van druppeltjes en het aantal gevormde druppeltjes in het onderzoek. Het team schreef de resultaten toe aan verschillende parameters van het platform.

Proof-of-concept: profielen van geneesmiddelafgifte van doxorubicine voor chemotherapie

Sartipzadeh et al. ontwikkelden vervolgens een chitosan-doxorubicinemengsel met verschillende concentraties chitosan gemengd met een specifieke hoeveelheid van het chemotherapiemedicijn doxorubicine, om de afhankelijkheid van de druppeldiameter van de viscositeit te begrijpen. De toenemende concentratie van chitosan leidde tot een toename van de dynamische viscositeit om druppels met verschillende diameters te produceren. Het team onderzocht vervolgens de afgifte van doxorubicine uit chitosan in het laboratorium, om te laten zien hoe het geneesmiddelafgifteprofiel een tweerichtingspatroon volgde, om de rol van chitosan als microdragers van semi-gerichte toedieningssystemen te benadrukken. De wetenschappers onderzochten de geneesmiddelafgifteprofielen van de microdragers bij twee verschillende temperaturen en pH-niveaus, om de toxiciteit van ingekapselde doxorubicine op kankercellen te benadrukken in vergelijking met het vrije medicijn. De aanwezigheid van de drager maakte het proces van medicijnafgifte meer biocompatibel voor gezonde cellen, vergeleken met de toxiciteit van het medicijn in zijn vrije vorm.

De procedure van de drukhelling op het P-punt voor de duur van de druppelconfiguratie. Het P-punt bepaalt het punt dat zich bij de ingang van het hoofdkanaal bevindt. Het weergalmt de ontwikkeling van het druppelvormingsproces. Drie stappen vorming van druppel: (I) Lag, (II) Filling en (III) Necking. De CS + DOX-snelheid is stabiel op 3,3 mm/s, en de snelheid van plantaardige olie is gelijk aan 11,1 mm/s. Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-12031-9

(a) Cellulair opnamegedrag van DOX door MCF-7 borstkankercellijn. (b) Cellulair opnamegedrag van CS-DOX door MCF-7 borstkankercellijn. DAPI wordt gebruikt om celkernen te kleuren. Vanwege zijn fluorescerende aard zorgt DOX ervoor dat het celcytoplasma rood wordt op de fluorescerende beeldvorming. De beelden bevestigen de opname van het medicijn door de cellen. Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-12031-9

Outlook

Op deze manier ontwikkelden Omid Sartipzadeh en collega’s een computationeel vloeistofdynamica-model om het proces van biocompatibele chitosan-druppelafmetingen en vorming in een stroomgericht microkanaal te begrijpen. De simulatieresultaten wezen op een alternatieve benadering om de verwachte experimentele resultaten te bereiken. Op basis van de onderzoeken benadrukte het team het belang van chitosan-microdeeltjes voor toepassingen voor medicijnafgifte in de biogeneeskunde. De uitstekende biologische activiteit, biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid maakten het materiaal zeer geschikt voor verschillende toepassingen in een microfluïdisch apparaat, waaronder het screenen van geneesmiddelen op lab-on-a-chip-platforms en medicijnafgifte in organ-on-a-chip-instrumenten, met 3D-celculturen om de toxiciteit van kandidaat-geneesmiddelen te beoordelen. Het team voerde een proof-of-concept-analyse uit om belangrijke uitdagingen in de biogeneeskunde aan te pakken en benadrukte de rol van chitosandruppeltjes als microdragers voor gerichte farmaceutische therapie.