微流控技術及其在聚合物納米粒、脂質(zhì)納米粒和雜化納米粒等納米藥物載體制備中的應用

納米技術在制藥醫(yī)學領域迅速發(fā)展，其利用納米載體結(jié)構(gòu)包裹或吸附特定的藥物（如活性小分子、蛋白大分子、疫苗等）形成的納米載藥系統(tǒng)，可以調(diào)控釋藥速度，防止藥物過早釋放，增加細胞攝取，改變其在體內(nèi)的分布，改善生物利用度，以提高藥物的安全性、有效性和臨床價值。

目前，納米藥物載體顆粒的制備方法主要有材料自組裝法、納米沉淀法、溶劑蒸發(fā)法等。但這些技術普遍缺乏在宏觀水平上的精確控制，導致納米顆粒結(jié)構(gòu)不一致，粒徑分布較寬，步驟復雜，批次間重現(xiàn)性和納米封裝過程的可擴展性較差，以及質(zhì)量控制較難等。同時，制備所得的納米藥物面臨無法進行體外預篩選實驗以及不能擴大至工業(yè)生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)現(xiàn)高效精準的納米顆粒制備方法和質(zhì)量控制標準具有非常重要的意義。

微流控技術的出現(xiàn)為納米藥物載體的制備提供了一個很好的思路和途徑。一方面，微流控技術操控下的流體具有獨特的性質(zhì)，如層流和液滴等，借助這些獨特的流體現(xiàn)象，可以實現(xiàn)一系列常規(guī)方法難以完成的微粒加工，包括流體混合增

強和精準控制的納米結(jié)構(gòu)組裝；另一方面，與常規(guī)方法相比，該技術利用微流體精準的流體控制，合成的粒子形貌結(jié)構(gòu)均一、粒徑分布均勻，且批次質(zhì)量重復可控。通過高通量方式可實現(xiàn)高度可控、重現(xiàn)性高、可擴展的納米結(jié)構(gòu)化合物制備手段，因此為納米藥物載體的臨床轉(zhuǎn)化提供了良好的前景。

由于微尺度流體在層流狀態(tài)下出現(xiàn)流動阻力大和分子擴散現(xiàn)象，液體間不容易混合，在完全融合前會出現(xiàn)并排流動現(xiàn)象。因此，針對微流體的特性，微流控反應器必須經(jīng)過特定的設計來減少流體擴散路徑長度并增加流體之間的接觸面積，最終實現(xiàn)快速混合。最廣泛應用的微流控合成器是基于流體擴散，通過調(diào)節(jié)流速和通道長度等控制載體材料和藥物分子之間的反應。

納米材料作為藥物遞送的載體具有毒性小、生物利用度高、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用。目前，常用的納米藥物載體有脂質(zhì)納米粒Lipid Nanoparticles (LNPs)、聚合物膠束、聚合物納米粒、無機納米粒等，但傳統(tǒng)制備方法由于不能做到對宏觀流體的精準調(diào)控，普遍存在工藝過程繁瑣、批次重復性差、所得納米粒粒徑分布不均一且范圍較寬和藥物負載率較低等問題。

微流控技術通過對流體流速、流速比和流量的精確控制以及設計不同的微流控通道可使不同液體充分混合反應，且制備得到的納米顆粒在粒徑分布和大小、批次間重復性和藥物負載率方面都有顯著改善。根據(jù)不同的微流控裝置，微流

控制備納米藥物載體的方法通常可分為流動聚焦法（flow focusing)、微渦流法 （microvortise）、混沌流法 （chaoticflow)、滴液法（droplet-based approach)等。

聚合物納米粒的制備

具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)作用的聚合物材料廣泛應用于納米藥物載體顆粒領域。例如，基于聚乳酸羥基乙酸共聚物（PLGA）的納米載藥材料可包裹疏水或親水藥物且有良好的生物相容性和生物降解性，已處于臨床階段或被FDA批準上市。聚合物納米粒的傳統(tǒng)制備方法產(chǎn)生的顆粒粒徑較難控制或存在絮凝現(xiàn)象，且不利于藥物形成有規(guī)律的結(jié)晶狀，導致納米顆粒理化性質(zhì)易變。

圖1、交錯人字形微混合器（SHM）示意圖

Enrica等交錯人字形微混合器(SＨＭ,staggered herringbone micromixer）制備了包裹親水性藥物N乙酰半胱氨酸的PLGA納米粒。運用微流控技術輔助的納米沉淀方法，得到了粒徑在１００～９００ｎｍ內(nèi)的納米粒子，且分散系數(shù)在 0.061～0.286之間。此外，他們通過調(diào)整總流速（ＴＦＲ）、流速比（ＦＲＲ）以及藥物與聚合物的比值，實現(xiàn)了較為滿意的N乙酰半胱氨酸包封效率（大于67％）和較長的藥物釋放時間（168ｈ）。Yoshinori等利用該微混合器系統(tǒng)將姜黃素包封到PLGA納米粒中，制得平均粒徑為200ｎｍ的單分散小聚合物納米粒。之后，他們將PEG修飾的PLGA混入到PLGA納米粒，發(fā)現(xiàn)其減小了載藥聚合物顆粒尺寸并提高了包封效率。Kathrink等同樣微混合器系統(tǒng)制備了不同殼核比的PLGA PLA PEG多組分聚合物納米粒，通過改變微流體參數(shù)（如總流速、流速比）調(diào)整了顆粒尺寸并進一步改善了尺寸分布。與傳統(tǒng)的納米沉淀方法相比，發(fā)現(xiàn)使用微流控裝置制備的納米顆粒尺寸（２４～４３ｎｍ）比傳統(tǒng)方法（５２～６５ｎｍ）明顯變小，且顆粒分散系數(shù)降低。Miaorong等利用該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)總流速從2到15ml/min，得到了粒徑范圍在50到160nm之間均勻穩(wěn)定的PLGA納米粒。因此得出微流控技術不僅能夠精確調(diào)節(jié)

粒度并改善了粒徑分布，而且實現(xiàn)了具有精確可調(diào)質(zhì)量可控的多組分納米顆粒的可再現(xiàn)和可擴展的制造。

聚合物膠束的制備

兩親性嵌段物可在選擇性溶劑中自組裝形成的聚合物膠束，其核心區(qū)域的疏水片段聚集區(qū)可包裹疏水性藥物（如大多數(shù)抗癌藥物），從而增加水性分散性和生物利用度。由于聚合物的嵌段比例易于調(diào)整且表面易修飾，聚合物膠束在緩釋控制、藥物載體方面被廣泛應用。相比較于傳統(tǒng)自組裝方法（如直接水溶法和溶劑誘導法），微流控技術可以簡單地通過改變微流控水動力條件實現(xiàn)對自組裝產(chǎn)物尺寸及結(jié)構(gòu)的控制。

在微流控技術制備聚合物膠束中，影響組裝過程的因素包括分子間作用力和剪切力，在氣液兩相界面處產(chǎn)生較高的剪切作用力容易發(fā)生分子片段間的碰撞和聚集，形成動力學穩(wěn)定的納米膠束。通過比較不同的制備方法，這些發(fā)現(xiàn)為設計微流控混合器提供新的思路，為合成尺度結(jié)構(gòu)可控、粒徑均一的功能性聚合物膠束提供更多的方法。

脂質(zhì)納米粒的制備

由脂質(zhì)雙層膜包圍的水性核心的納米級脂質(zhì)體可以裝載疏水性或親水性藥物分子，被廣泛應用于藥物遞送系統(tǒng)（DDS）領域。傳統(tǒng)的脂質(zhì)體納米粒制備方法，如薄膜水合法、乙醇注射法等，制備時間長，難以獲得相對單分散產(chǎn)物，且操作復雜，需要大量昂貴藥物或核酸確保包封足夠。而運用微流控技術能夠克服傳統(tǒng)方法的弊端。在微流控制備脂質(zhì)體納米粒中，流速、流速比、混合速度和脂質(zhì)濃度都是控制顆粒粒徑的重要參數(shù)。

與常規(guī)多步制備法（bulk-method，ＢＭ）相比，最近報道的利用微流體聚焦（microfluidic focusing，ＭＦ）單步驟方法制備脂質(zhì)納米粒具有更可控、重復性和負載率更高的優(yōu)勢。Li等制備了具有Ｓ形通道人字形結(jié)構(gòu)的微混合器，利用微流體聚焦一步合成轉(zhuǎn)鐵蛋白-脂質(zhì)-siRNA納米粒。同時，他們在顆粒特性、生物學效應和腫瘤抑制方面與常規(guī)多步制備法進行對比發(fā)現(xiàn)，微流控所得納米粒粒徑更小更均一，細胞攝取效率和基因沉默效率更高，而且抑癌效果也明顯優(yōu)于ＢＭ所得的納米粒（抑癌效率分別為60.4％和14％）。微流控技術得到的粒徑與結(jié)構(gòu)更均一的脂質(zhì)-核酸納米粒，在體內(nèi)體外具有更高的核酸遞送效率，可以明顯改善粒子的生物學效應。

無機納米粒的制備

無機納米粒子由于其獨特的理化學性質(zhì)、可用多種方法合成、易于表面功能化修飾和優(yōu)良的生物相容性而在生物醫(yī)學領域的癌癥治療中引起廣泛的研究。無機粒子在沒有固體界面的情況下形成，一般分為 ３個步驟：成核、生長（初級生長）和老化（二次生長），常規(guī)方法因條件限制無機納米粒容易聚集增大，而運用微流控合成方法能對形成過程更精確地控制顆粒大小，同時達到材料消耗最小化。

Ｈｅ等選用了單相連續(xù)流微反應器（CFMR）和氣液兩相分段流微反應器（SFMR），使用聚乙烯亞胺聚合物作為成核催化劑，通過在微反應器中連續(xù)水解、縮合四甲氧基硅烷，二氧化硅納米粒子在室溫下快速沉淀。最后兩種微流體裝置都獲得了顆粒尺寸分布非常窄的二氧化硅納米粒，且由于在SFMR條件下消除了軸向分散效應，其產(chǎn)生的納米粒尺寸更小質(zhì)量更好。此外，通過微流體技術還制備了CdS、二氧化鋅等金屬氧化物、無機鈣鈦礦納米晶等納米粒，在醫(yī)療技術和載藥系統(tǒng)領域都有廣闊的應用價值。

蛋白類納米粒

隨著新型藥物遞送系統(tǒng)的發(fā)展，天然生物分子蛋白質(zhì)由于其生物相容性、生物降解性、抵抗原性和高生物活性等特性，是藥物制劑中常用的合成聚合物替代品。蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量、構(gòu)象、疏水性和理化性質(zhì)都取決于多肽鏈上氨基

酸的序列，它們的功能屬性可以通過物理化學方法或酶促修飾來調(diào)節(jié)，這些修飾可以用于制造基于蛋白質(zhì)的微粒。通常，蛋白質(zhì)類納米顆粒的制備方法包括去溶劑化、凝聚相分離、乳化溶劑蒸發(fā)等，但是仍面臨其批次間變化大 、顆粒大小和形狀難以控制、工藝復雜等挑戰(zhàn)。

Sun等利用自主設計的倒 Ｗ形微流控芯片，將含有卡巴他賽、人血清白蛋白的有機溶劑按一定比例以45μＬ/min從中間入口注入芯片，將加熱的去離子水以 450μＬ/min從兩邊入口進入，在通道中混合后，由連接管接出溶液經(jīng)冰水浴快速降溫，得到高載藥量且穩(wěn)定均一的載藥白蛋白納米顆粒，分散系數(shù)均小于0.1。與傳統(tǒng)方法相比，藥物包封率提高了64％，載藥率提高了1.74倍，由此可知利用微流控方法能更好的控制納米粒質(zhì)量。Ｗａｎｇ等運用液滴法在毛細管微流控裝置中將10％的明膠甲基酸酯水溶液作為預聚物相，含0.5％Span80的礦物油作為中間油相，在連續(xù)相中使用5％PVA水溶液，制備具有超薄油層的單分散雙乳劑滴注，再將其暴露在紫外線照射最終得到穩(wěn)定的單分散微明膠。Ｌｉｕ等利用流動聚焦微流體裝置，將絲纖蛋白溶液作為分散相，95％葵花籽油和5％Span80混合溶液作為連續(xù)相，通過高精度微流體壓力控制快速生成裝載有辣根過氧化酶的穩(wěn)定均質(zhì)油包水型絲素蛋白微滴，并且可以調(diào)節(jié)連續(xù)相和分散相的壓力比來控制微滴大小。微流控技術可以形成單分散微滴且可大大提高蛋白質(zhì)微粒的穩(wěn)定性，為開發(fā)性能更好的蛋白質(zhì)類納米粒提供了新的方法。

雜化納米粒的制備

雜化納米粒子中包含兩個或多個不同的納米粒子，這些納米粒子組裝后仍具有納米級尺寸的功能結(jié)構(gòu)，以達到其醫(yī)療效果優(yōu)于單組分的簡單混合物的目的

。然而，雜化納米顆粒制備工藝隨粒子結(jié)構(gòu)的復雜性而變得更為繁瑣，可控性也隨之變差。通過微流控技術增強流體混合以及精確控制流體，可以顯著改善雜化納米粒組裝過程中對親疏水性和電荷相互作用的依賴，有效提升流體在粒子組裝中的作用，進而達到顆粒結(jié)構(gòu)高度可控的目的。

脂質(zhì)-聚合物納米粒：雜化脂質(zhì)納米粒的結(jié)構(gòu)通常是以聚合物為內(nèi)核，外殼包裹脂質(zhì)層，組成核殼型結(jié)構(gòu)。其在生物相容性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和藥物釋放可控性方面都有所改善，成為近年來藥物遞送系統(tǒng)的研究熱點。常規(guī)工藝制備雜化脂質(zhì)納米粒具有結(jié)構(gòu)不可控、負載率低等缺點，應用微流控技術可以快速得到結(jié)構(gòu)尺寸可控的納米粒。

有機-無機雜化納米粒：有機-無機雜化納米粒通常是與無機納米級結(jié)構(gòu)單元結(jié)合的有機聚合物。無機材料與有機聚合物的組合兼具兩者的性能，如高剛性、熱穩(wěn)定性和可加工性等，且特殊的結(jié)構(gòu)可以增加納米粒的殼強度并可避免較大分子滲入或滲出顆粒。

隨著微流控技術的發(fā)展，其在納米藥物輸送領域的應用越來越受到重視，微流控技術在納米藥物載體的制備也更加完善。在制備聚合物納米粒、脂質(zhì)納米粒和雜化納米粒等藥物載體中，由于微流控技術運用的獨特流體性能和可控的微

反應裝置，明顯可以看出其具備許多優(yōu)勢：

一是有利于制備顆粒粒徑分布均一、尺寸較小、高度穩(wěn)定的納米粒；

二是通過改變流體特性參數(shù)，可精確控制顆粒的理化性質(zhì)如顆粒尺寸、大小以及藥物組成和藥動學等；

三是反應更簡單易控制，制備時間大大縮減，提高合成的可重復性，減小批次間差異等。