Инкапсуляция частиц - от синтеза частиц до методов инкапсуляции

Найдите идеальную технику для задач инкапсуляции и синтеза микро и наночастиц

Инкапсуляция частиц помогает сохранить химические, физические и биологические свойства активных соединений - от лекарств до нуклеиновых кислот, клеток и органоидов. Эта техника изменила облик исследований в нескольких отраслях, таких как электронная инженерия, пищевая промышленность, сельское хозяйство, биомедицинские и фармацевтические исследования [Sonawane SH et al.].

Синтез и инкапсуляция частиц

Процесс инкапсуляции требует точного контроля и манипулирования жидкостями воспроизводимым образом. Микрофлюидика и миллифлюидика могут манипулировать жидкостями от миллилитра до пиколитра, что делает их идеальной технологией для инкапсуляции частиц и синтеза микро и наночастиц. Разработка метода, который соответствует конкретным потребностям вашего эксперимента, типу данных, которые вы хотите получить, и вашим лабораторным возможностям, имеет большое значение для получения воспроизводимой и точной системы инкапсуляции и синтеза частиц.

От нано до микрочастиц

Частицы могут различаться по размеру (от нано до микро) и составу (см. таблицу 1). Их конечное использование - доставка лекарств, клеточные анализы, косметика, улучшение качества пищи - определит их состав и наилучший метод их получения.

	Диапазон размеров	Состав	Использование
Наночастицы	От 10 нм до 100 нм	Природные или искусственные полимеры, металл, полупроводники, фосфолипиды	Косметика, пищевая промышленность, доставка лекарств, терапия, текстиль, строительство, электроника
Микрочастицы	От 50 нм до 2 мкм	Этилцеллюлоза, поливиниловый спирт, желатин, альгинат натрия, полимеры	Пищевые продукты, косметика, инкапсуляция лекарств, текстиль, культура клеток, химический синтез

Наночастицы

Поскольку их размер варьируется от 10 до 100 нм, наночастицы идеально подходят для инкапсуляции нуклеиновых кислот, пептидов, белков и белковых комплексов - таких, как молекулы CRISPR-Cas9. Наночастицы часто используются для доставки лекарств, генной терапии, генетических манипуляций с клетками и организмами, а также для улучшения качества продуктов питания [Hou X, et al., 2021]. Наночастицы на основе липидов или полимеров могут быть получены с помощью микрофлюидики воспроизводимым и точным способом. Их рецептура разнообразна и должна быть разработана в соответствии с их использованием. Ниже мы приводим несколько примеров и способов применения различных типов наночастиц.

Липидные наночастицы и липосомы

Наночастицы на основе липидов идеально подходят для биологических и биохимических целей, доставки лекарств и целевой терапии. Чаще всего они состоят из фосфолипидного бислоя, заключенного в водный раствор, и могут инкапсулировать гидрофильные или липофильные молекулы с хорошим сродством к клеткам и биоразлагаемостью [Lammari, 2021]. Липидные наночастицы стали более популярными после одобрения FDA вакцин с мРНК и показывают большие перспективы в некоторых других областях биомедицины. Микрофлюидика в настоящее время является наиболее надежной и точной техникой для производства наночастиц на основе липидов.

Наночастицы PLGA (полимолочно-гликолевая кислота)

Наночастицы PLGA являются быстро метаболизируемыми биоразлагаемыми полимерами, которые могут быть разработаны для контролируемого высвобождения лекарств, что делает их идеальными для доставки лекарств. Кроме того, их гидрофобность можно регулировать, делая их более или менее водостойкими. Производство наночастиц PLGA в микрофлюидике может быть адаптировано к системам на основе капель (эмульсионные методы) или непрерывным системам ламинарного потока (метод нанопреципитации). Эти методы позволяют получить полидисперсные сферические наночастицы с размерами, как правило, в диапазоне 150 - 300 нм.

Микрочастицы

Несколько больший размер микрочастиц позволяет им инкапсулировать клетки и органоиды. Микрочастицы часто используются для культивирования клеток, цитотоксических анализов на основе клеток, инкапсуляции пробиотиков и косметики. Ниже приведены некоторые примеры, способы применения и составы микрочастиц.

Альгинатные микрочастицы

Альгинатные микрочастицы часто используются в качестве систем доставки на основе гидрогеля. Эти частицы могут быть использованы для тканевой инженерии, инкапсуляции клеток, регенеративной медицины и биомедицинских задач благодаря их низкой токсичности, высокой биосовместимости и относительно дешевому производству. Поскольку альгинатные частицы могут собираться при нейтральном pH и умеренных температурах, они могут инкапсулировать и успешно доставлять белки и клетки в определенные места [Rezvantalab, 2019]. Производство высокомонодисперсных альгинатных частиц в вашей лаборатории стало очень доступным и может быть осуществлено с помощью микрофлюидической генерации капель.

Термореактивные микрокапсулы с сердцевиной и оболочкой

Эти микрочастицы являются стимул-реактивными, поэтому они высвобождают инкапсулированный в них компонент при внешнем воздействии. Термореактивные микрочастицы могут действовать как сенсоры, катализаторы и приводы, а также использоваться для лекарственной терапии. Эти капсулы могут быть загружены путем диффузии или абсорбции гидрофильными биомолекулами для различных инженерных целей. Микрофлюидика на основе капель позволяет получать эти частицы последовательным и воспроизводимым образом.

Использование микрофлюидики для производства микро и наночастиц

Технология производства выбирается в соответствии с физическими свойствами частиц, используемых для инкапсуляции, и инкапсулируемого вещества. Выбранный метод должен обеспечивать высокую эффективность инкапсуляции частиц и загрузочную способность активных веществ. Кроме того, важно, чтобы частицы не агрегировались и не прилипали к чипу во время процесса. Точность, контроль и воспроизводимость являются важными характеристиками для успешного инкапсулирования частиц и синтеза микро или наночастиц. Все описанные ниже методики могут быть выполнены с помощью контроллера микрожидкостного потока OB1.

Рисунок 1. В системе Т-перехода (слева) две фазы вводятся ортогонально, образуя каплю на пересечении каналов. В технике фокусировки потока (справа) средняя фаза зажата между двумя потоками непрерывной фазы.

Производство Ca-альгинатных микрочастиц

Альгинатные микрочастицы создаются с помощью раствора альгината/EDTA-кальция для получения микрокапель в микрофлюидной установке. Затем соединение кальция высвобождается в сформированную каплю с помощью вещества, изменяющего рН. Кальций сшивается с альгинатом, образуя Ca-альгинатные бусины. Различные экспериментальные условия были протестированы для получения высоко монодисперсных капель с размерами в диапазоне 50 мкм. Другие размеры шариков могут быть получены при использовании аналогичной установки.

T-переход

Создание капель и манипулирование ими

Т-переход и техника фокусировки потока являются основными методами, используемыми для получения капель (рис. 1). Оба метода требуют точной системы управления потоком для достижения желаемых параметров капель - размера и частоты. Система Т-перехода вводит две фазы ортогонально, формируя каплю на пересечении каналов. При методе фокусировки потока средняя фаза зажата между двумя потоками непрерывной фазы. Оборудование, необходимое для получения капель и инкапсулирования частиц, может незначительно отличаться в зависимости от необходимого размера капель.

Фокусировка потока

Производство капель по запросу пользователя

Производство капель по запросу облегчает манипуляции с каплями и дает дополнительную степень контроля над размером и частотой образования микрокапель. Задавая время впрыска, можно регулировать размер капель. Чем дольше время впрыска, тем крупнее капли. Кроме того, сбалансированное давление воды и масла в микрофлюидной установке создает стабильную границу разделения между водой и маслом. Добавление отрицательного давления на выходе генератора капель провоцирует образование капель. Изменяя величину отрицательного давления, можно точно и по требованию контролировать размер образующихся капель. Эта дополнительная функция чрезвычайно полезна для сложных операций, требующих высокой степени точности и дополнительного контроля над параметрами капель.

Производство капель по запросу

Если вы хотите улучшить контроль размера капель с помощью автоматической системы измерения размера капель и обратной связи, посмотрите наш вебинар "Размер капель, контроль однородности и обнаружение", который проводит Ремигиюс Василяускас.

Размер капель, контроль однородности и обнаружение

Синтез наночастиц с помощью микрофлюидики

Два основных метода микрофлюидики для получения наночастиц - однофазные или многофазные проточные системы - используют технологию "лаборатория-на-чипе" с трубчатыми конструкциями и внутренними размерами часто менее 1 мм. Быстрое смешивание двух фаз (органической и водной) является важной частью процесса. Метод однофазного потока использует методы самосборки и нанопреципитации и обычно применяется для синтеза коллоидов металлов, квантовых точек и липосом. Для увеличения масштабов производства можно параллельно проводить несколько операций на одном чипе. Эта техника обеспечивает последующее добавление реагентов и многоступенчатый синтез. Система многофазного потока использует аналогичную микроканальную структуру с двумя или несколькими жидкостями, протекающими в сегментированных фазах. Это может быть жидкость-жидкость или газ-жидкость (рис. 2). Смешивание происходит внутри каждого сегмента чипа по мере его движения по каналам. Обе системы обеспечивают высокую точность и воспроизводимость.

Рисунок 2: Различные методы синтеза наночастиц. (a) Метод однофазного потока слева; и системы многофазного потока справа с (b) газожидкостным и (c) жидкостно-жидкостным методами смешивания.

Методы синтеза наночастиц PLGA

Наночастицы PLGA часто синтезируют методом нанопреципитации или эмульсионным методом - одинарным и двойным. В методе нанопреципитации используется органический раствор полимера, который эмульгируется в водном растворе, обычно с поверхностно-активным веществом. Затем органический растворитель удаляется при перемешивании, что позволяет образоваться наночастицам. Метод одиночной эмульсии заключается в смешивании водосмешиваемого растворителя, содержащего полимерные цепи PLGA, с водным раствором. По мере осаждения растворителя органическая фаза диффундирует в воду, а полимеры PLGA соединяются, образуя наночастицы. Метод двойной эмульсии использует эмульсию "вода в масле в воде", поэтому он лучше всего подходит для инкапсуляции гидрофильных молекул. Все эти методы потенциально могут обеспечить получение сферических наночастиц размером 150-300 нм с хорошей полидисперсностью.

Изготовление наногидрогелей

Идеальные для применения в косметике и доставке лекарств, наногидрогели могут быть синтезированы в микросмесителе с расщеплением и рекомбинацией, подключенном к регулятору давления и датчику потока. Размеры получаемых частиц можно регулировать, устанавливая скорость потока и соотношение на чипе. Окончательная полидисперсность частиц будет зависеть от соотношения расхода полимера и солевого раствора.

Использование микрофлюидики для инкапсуляции частиц

Инкапсуляция частиц может быть введена на различных этапах синтеза частиц. На эффективность инкапсуляции также очень сильно влияет используемый метод, его точность и степень контроля над давлением и потоком жидкости.

Методы инкапсуляции капель

Клетки могут быть инкапсулированы во время или после формирования капель. Разбавляя клетки в растворе, образующем внутреннюю фазу капли, клетки инкапсулируются во время синтеза капли. Несмотря на свою простоту, этот метод может привести к образованию множества пустых капель, но с высоким процентом инкапсулированных одиночных клеток на каплю. Инъекция клеток - или любого другого вещества - после формирования капель может увеличить количество капель, содержащих клетки, обеспечить большую гибкость при манипулировании каплями, но может быть сложной и трудной в настройке. Тем не менее, два недавно разработанных метода инъекции - инъекция на основе пробок и пикоинъекция - обеспечивают хорошую эффективность инкапсуляции.

Создание и инкапсуляция гидрогеля PEGDA

Непрерывная литография в потоке - идеальная техника для точного контроля формы полимерных частиц - важный аспект для успешного производства микрогелей и микрокапель. Эта техника формирует полимеризованные гидрогели путем проецирования фотолитографии в проточной среде. Сочетание микрофлюидики на основе капель с непрерывной проточной литографией позволяет производить и инкапсулировать гидрогель на основе поли(этиленгликоль) диакрилата (PEGDA) волокна внутри формирующейся капли.

Инкапсуляция клеток для анализа на цитотоксичность

Заключение клеток в капли для анализа на цитотоксичность позволяет преодолеть общие пространственные проблемы стандартной объемной живой визуализации и временные проблемы в анализах проточной цитометрии. Для получения капель разного размера и одновременной инкапсуляции клеток можно использовать фокусирующее поток соединение. Регулируя давление, приложенное к масляному и водному входным каналам, можно формировать капли разного диаметра (∼105, 85 и 67 мкм), что является полезным при тестировании различных типов клеток и разработке новых анализов.

Инкапсулирующие мультивезикулярные везикулы

Маленькие везикулы могут быть добавлены во внутреннюю фазу раствора двойной эмульсии для инкапсуляции в более крупные везикулы. Сначала раствор внутри капли вода-в-масле-в-воде защемляется масляной фазой в первом стыке чипа. Затем сформированная капля движется до второго стыка, где масляная фаза защемляется внешним водным раствором, образуя каплю вода-в-масле-в-воде. После образования двойной эмульсии масляный слой самопроизвольно удаляется с мембраны, оставляя только липидный бислой везикул, внутри которых находятся более мелкие везикулы.

Рисунок 3: Схема микрофлюидной установки для производства мультивезикулярных везикул. Контроллер потока, управляемый давлением, толкает внутренний раствор (IA) к первому стыку, где он обволакивается масляной фазой (LO) и защемляется внешней фазой (OA) на следующем стыке. В результате образуется двойная эмульсия с ультратонким масляным слоем.

Инкапсуляция частиц и ее многочисленные применения

Микро и наночастицы могут иметь различные химические и физические свойства в зависимости от техники и материалов, используемых для их создания. Такая гибкость обеспечивает широкий спектр возможных применений инкапсуляции частиц и объясняет, почему это направление развивается во многих отраслях - от биологии до инженерии.

До недавнего времени методы производства и инкапсуляции были одними из основных проблем в этой области. Однако последние разработки в области микрофлюидики позволили усовершенствовать методы синтеза и инкапсуляции частиц, улучшив производство, воспроизводимость и сделав их доступными для использования в нескольких отраслях.

Помимо примеров, кратко описанных в данной статье, методы инкапсуляции частиц также могут быть применены к:

• NGS и скрининг антител;
• инкапсуляция отдельных спор или грибов;
• противогрибковый скрининг на чипе;
• инкапсуляция бактерий в капли эмульсии;
• инкапсуляция одноклеточных;
• одноклеточная омика и пространственная транскриптомика.

Способность контролировать и манипулировать жидкостями на нано и микромасштабах точным и воспроизводимым образом делает микрофлюидику идеальной для инкапсуляции и синтеза частиц. Микрофлюидика на основе капель, например, обеспечивает высокую монодисперсность и эффективность инкапсуляции, и наночастицы различного состава могут быть точно получены с высокой пропускной способностью.

В биологии для захвата клеток в монодисперсных каплях пиколитрового размера широко используются методы микрофлюидной инкапсуляции. Этот метод позволяет получить значимые данные о взаимодействии между клетками в группах контролируемых размеров, а также об отдельных и изолированных клетках.

Последние разработки также сделали технологию микрофлюидики более доступной и простой в использовании для разных уровней знаний. Хотите ли вы генерировать капли или синтезировать наночастицы, заранее разработанные пакеты могут помочь вам в подходе "plug-and-play". Если вы сомневаетесь в том, как настроить систему, проконсультируйтесь с нашими экспертами в этой области. Они посоветуют вам правильное решение, исходя из вашего уровня знаний и возможностей лаборатории.