Questo miscelatore di laminazione coassiale può eliminare completamente il contatto della fase organica con le pareti del canale mentre mescola in modo efficiente le fasi organica e acquosa. Comprendendo un ugello per l’iniezione coassiale, una sequenza di elementi stretch-and-fold e filtri di ingresso, questo miscelatore unico non può essere realizzato mediante microfabbricazione 2.5D convenzionale ma solo mediante polimerizzazione 3D a due fotoni. Immagine: Peer Erfle, TU Braunschweig
Con le innovative capacità di miscelazione e filtraggio dei dispositivi microfluidici, si stanno aprendo nuove aree di interesse nella ricerca farmaceutica. In particolare, la scoperta di nanoparticelle lipidiche che trasportano farmaci sta attirando l’interesse e gli sforzi dei ricercatori. Le capacità della microfluidica presentano grandi vantaggi per la fabbricazione precisa di nanoparticelle lipidiche come vettori di farmaci in dimensioni estremamente ridotte. In questo campo, un team di ricerca della Technical University (TU) Braunschweig, in Germania, ha sviluppato un chip microfluidico unico utilizzando la tecnologia di stampa 3D ad alta precisione di Nanoscribe. Il chip microfluidico contiene un mixer innovativo per produrre nanoparticelle caricate di farmaco monodisperse con un controllo preciso della dimensione delle particelle. Ciò sarà utile per nuovi concetti di somministrazione di farmaci.
C’è un grande interesse nell’industria farmaceutica nella produzione di farmaci su misura efficaci ed economici. Le nanoparticelle lipidiche contenenti farmaci scarsamente solubili sono candidati promettenti che possono essere più facilmente assimilati dall’organismo o erogati bypassando il tratto gastrointestinale. Una condizione essenziale è che forniscano un tasso di dissoluzione molto più rapido. Tuttavia, le strategie per produrre queste nanoparticelle lipidiche sono impegnative. Implicano diverse fasi come la preparazione delle nanoparticelle e l’incorporazione del vettore del farmaco nelle nanoparticelle.
Nella produzione di nanoparticelle, è importante gestire distribuzioni dimensionali ridotte delle particelle per ottenere l’intervallo richiesto di 70 nm e fino a 200 nm. A tale scopo, i sistemi microfluidici offrono un approccio vantaggioso rispetto alle tecniche di miscelazione in massa. La microfluidica offre un controllo preciso e la regolazione della miscelazione di quantità liquide estremamente piccole. La miscelazione nella microfluidica consente la fabbricazione di nanoparticelle, ma ciò richiede l’uso di elementi di miscelazione più efficaci e complessi per ottimizzare le proprietà delle nanoparticelle e ottimizzare i meccanismi di miscelazione. Utilizzando la polimerizzazione a due fotoni (2PP), gli elementi microfluidici 3D a forma libera vengono sviluppati e integrati in complessi chip microfluidici. L’uso di questa versatile microfabbricazione 3D mira alle esigenze di restringere la distribuzione delle dimensioni delle particelle.
Stampa 3D di un chip microfluidico complesso
Scienziati della TU Braunschweigha studiato un approccio innovativo nel campo della microfluidica per fabbricare nanoparticelle portatrici di farmaci monodisperse. Hanno utilizzato le capacità di polimerizzazione a due fotoni di Nanoscribe per stampare in 3D un chip microfluidico completo. Il chip è progettato con un micromixer unico per la laminazione coassiale e la generazione stabile di nanoparticelle. Il chip microfluidico completo lungo un centimetro è costituito da un canale principale collegato a un canale laterale, un ugello per l’iniezione coassiale, una serie di elementi di miscelazione 3D e filtri di ingresso per ridurre la contaminazione. Questo sofisticato design del chip si distingue per le sue caratteristiche miniaturizzate e l’elevata qualità della superficie. Ad esempio, il diametro interno del canale principale è di 200 µm e i filtri di ingresso hanno una dimensione dei pori di 15 µm. Gli elementi stretch-and-fold presentano un’intricata struttura 3D per mescolare le fasi organica e acquosa. La microfabbricazione 2.5D convenzionale e la produzione in serie mediante lo stampaggio a microiniezione non riescono a produrre questo sistema microfluidico perché le strutture sottosquadro e le aree dei cilindri aperti sono difficili da modellare.
Alta riproducibilità con stampa 3D ad alta precisione
Il sistema microfluidico stampato in 3D è stato progettato per produrre nanoparticelle di dimensioni definite e con la massima riproducibilità possibile. Il design identico è stato testato con tre microsistemi fabbricati separatamente. Mostrano variazioni sufficientemente piccole nella dispersione delle dimensioni delle nanoparticelle nell’intervallo di pochi nanometri. I risultati confermano la capacità della stampa 3D basata su 2PP di produrre nanoparticelle altamente riproducibili con una distribuzione dimensionale ridotta delle particelle. I risultati sono di grande importanza per la futura realizzazione della fabbricazione parallela di nanoparticelle.
Gli elementi microfluidici riducono le incrostazioni con una miscelazione efficiente
Gli elementi microfluidici scelti sono costituiti da una struttura 3D che fa sì che il flusso organico iniettato venga allungato e piegato trasversalmente. Ciò aumenta l’interfaccia tra le due fasi, organica e acquosa, mentre scorrono attraverso il canale, accelerando la diffusione e la miscelazione dei due liquidi. Allo stesso tempo, lo stiramento della fase organica riduce lo spessore del flusso. Entrambi gli effetti riducono il tempo di diffusione e quindi aumentano la velocità di miscelazione.
Grazie alla focalizzazione del flusso 3D dell’ugello di iniezione e degli elementi di miscelazione coassiali, si evita il contatto della fase organica con la parete del canale. In questo modo, gli elementi stampati in 3D all’interno del chip prevengono la contaminazione, che è un rischio principale per la riproducibilità e la fabbricazione continua e parallela di nanoparticelle.
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Comprendendo un ugello per l’iniezione coassiale, una sequenza di elementi stretch-and-fold e filtri di ingresso, questo miscelatore unico non può essere realizzato mediante microfabbricazione 2.5D convenzionale ma solo mediante polimerizzazione 3D a due fotoni.
Immagine: Peer Erfle, TU Braunschweig