DOI: https://doi.org/10.1039/d4re00107a
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Aniket Pradip Udepurkar وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة ميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية مصمم لتخليق جزيئات نانوية من حمض بولي (لاكتيد-كوجليكوليد) (PLGA) باستخدام تقنية تبخر المذيب في المستحلب. نجحت الدراسة في إنتاج جزيئات نانوية من PLGA ذات توزيع أحادي مع مؤشر توزيع (PDI) أقل من 0.3 وأقطار تتراوح من 20 إلى 300 نانومتر، وهي ضرورية للتطبيقات الطبية الحيوية. من خلال تحقيق بارامترية مفصلة، تم تحديد الظروف المثلى، بما في ذلك الطاقة فوق الصوتية، وتركيز PLGA، ونسبة تدفقات المرحلة المائية إلى المرحلة العضوية، مما يسمح بضبط القطر الهيدروديناميكي المتوسط (MHD) للجزيئات النانوية بين 115 و150 نانومتر.
تظهر النتائج أيضًا فعالية احتواء الصبغة غير القطبية Nile Red، حيث تم تحقيق تحميل صبغي بنسبة 0.34% وكفاءة احتواء بنسبة 4%، متوافقة مع القيم المبلغ عنها سابقًا لجزيئات PLGA نانوية أصغر. أظهر ملف الإفراج في المختبر لجزيئات PLGA المحملة بـ Nile Red نمط ثلاثي المراحل، يتميز بإفراج أولي مفاجئ يتبعه انفجار ثانٍ، على الأرجح بسبب قرب الصبغة من سطح الجزيء النانوي والتآكل اللاحق للجزيئات النانوية. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات الميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية كمنصة متعددة الاستخدامات لتخليق جزيئات PLGA النانوية، مما يوفر بديلاً قابلاً للتطبيق لطرق الميكروفلويديك التقليدية مع القضاء على الحاجة إلى المذيبات غير المرغوب فيها وخطوات المعالجة الإضافية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الانتشار المتزايد للأدوية غير القطبية ذات التوافر البيولوجي المنخفض، مما يستدعي الحاجة إلى أنظمة توصيل دوائية فعالة. يُستخدم حمض بولي (لاكتيد-كوجليكوليد) (PLGA)، وهو بوليمر صناعي قابل للتحلل معتمد من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية وEMA، على نطاق واسع لاحتواء وتوصيل مجموعة متنوعة من العوامل العلاجية، بما في ذلك البروتينات والأحماض النووية. تجعل قدرة PLGA على تخصيص ملفات الإفراج عن الأدوية من خلال التعديلات في الوزن الجزيئي، وحجم الجسيمات، وتفعيل السطح خيارًا مفضلًا لتطبيقات توصيل الأدوية. تم تحديد أحجام الجسيمات النانوية المثلى للتوصيل الفعال ضمن نطاق 20-200 نانومتر، مع كون مؤشر توزيع (PDI) أقل من 0.3 مثاليًا للتطبيقات الطبية الحيوية.
تناقش هذه الفقرة أيضًا تقنيتين رئيسيتين لتخليق جزيئات PLGA النانوية: الترسيب النانوي وتبخر المذيب في المستحلب. بينما يمكن أن يؤدي الترسيب النانوي إلى تباين في حجم الجسيمات وجودة الدفعة، توفر الميكرو رياكتورات حلاً من خلال توفير بيئات محكومة تعزز القابلية للتكرار وتقلل من توزيع الحجم. كما تشير المقدمة إلى التحديات المرتبطة باستخدام المذيبات السامة في الترسيب النانوي وتقدم تبخر المذيب في المستحلب كبديل أكثر أمانًا. تهدف الدراسة إلى تخليق جزيئات PLGA النانوية ذات التوزيع الأحادي باستخدام ميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية، مع التركيز على تحسين المعلمات التشغيلية وإظهار احتواء وإفراج Nile Red، وهو صبغة غير قطبية، كدليل على المفهوم.
طرق
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات PLGA النانوية باستخدام تقنية تبخر المذيب في المستحلب التي يسهلها ميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية مقطوع بواسطة نفاثة مائية (WJR). تشمل المواد المستخدمة PLGA (Resomer® RG 504 H)، بولوكزيمر 407 كعامل خافض للتوتر السطحي، أسيتات الإيثيل، وNile Red، جميعها من مصدر Sigma-Aldrich. تم إعداد محلول فوسفات (0.01 م، pH 7.4) للتجارب، وتم استخدام مياه Milli-Q في جميع الإجراءات. تم تجهيز الميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية مع محول لوحة بيزوكهربائية (Pz26) وعمل عند ترددات رنين تبلغ 48 كيلوهرتز و142 كيلوهرتز، مع الحفاظ على التحكم في درجة الحرارة عند 30 درجة مئوية أثناء الاستحلاب.
تضمن الإعداد التجريبي توصيلًا دقيقًا للمرحلتين المائية والعضوية من خلال مضخات حقن، حيث تم توصيل المرحلة العضوية عبر حقنة زجاجية والمرحلة المائية عبر حقنة بلاستيكية. تم تأكيد تردد الرنين للميكرو رياكتور باستخدام محلل مقاومة، وتم تشغيل الموجات فوق الصوتية من خلال مولد إشارة متصل بمضخم. عمل المفاعل بشكل أساسي عند تردد الرنين 48 كيلوهرتز، مما يضمن ظروفًا مثالية لتخليق الجسيمات النانوية.
نتائج
تشير النتائج إلى أن تطبيق الموجات فوق الصوتية يولد بشكل فعال فقاعات كافيتات داخل الشقوق في قناة ميكرو خشنة، مما يسهل استحلاب المرحلة العضوية في المرحلة المائية المستمرة. من الجدير بالذكر أن زمن الإقامة البالغ 4 دقائق كان كافيًا لتحقيق استحلاب كامل للمرحلة العضوية. تؤكد هذه النتائج على أهمية تقنيات المساعدة بالموجات فوق الصوتية في تعزيز عمليات الاستحلاب في أنظمة الميكروفلويديك.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات PLGA النانوية باستخدام ميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية، مع التركيز على تحسين المعلمات مثل الطاقة فوق الصوتية، ولزوجة المرحلة العضوية، وتركيز PLGA لتحقيق جزيئات نانوية مناسبة للتطبيقات الطبية الحيوية. أشارت النتائج إلى أنه يمكن ضبط القطر الهيدروديناميكي المتوسط (MHD) للجزيئات النانوية بين 115-150 نانومتر مع مؤشر توزيع (PDI) أقل من 0.3، مما يشير إلى مجموعة أحادية التوزيع. من الجدير بالذكر أن زيادة الطاقة فوق الصوتية قللت في البداية من MHD، لكن الطاقة الزائدة أدت إلى توزيع أحجام أوسع بسبب تكتل القطرات. تم تحديد الظروف المثلى عند طاقة فوق صوتية تبلغ 10 واط وتركيز PLGA يبلغ 12 ملغ مل⁻¹، مما قلل من حجم الجسيمات مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.
استكشفت الدراسة أيضًا احتواء Nile Red داخل جزيئات PLGA النانوية، حيث تم تحقيق كفاءة احتواء (EE) بنسبة 4.13% وتحميل صبغي (DL) بنسبة 0.34% عند 15 واط. أظهر ملف الإفراج عن Nile Red نمطًا ثلاثي المراحل، يتميز بإفراج أولي مفاجئ يتبعه مراحل إفراج أبطأ، يُعزى ذلك إلى قرب الصبغة من سطح الجزيء النانوي والتدهور اللاحق لمصفوفة البوليمر. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن طريقة الميكرو رياكتور بالموجات فوق الصوتية هي بديل واعد لتخليق جزيئات PLGA النانوية، مما يقضي بشكل فعال على الحاجة إلى المذيبات الضارة وخطوات المعالجة الإضافية مع تحقيق خصائص جزيئات نانوية مرغوبة لتطبيقات توصيل الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.1039/d4re00107a
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Aniket Pradip Udepurkar et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This research presents an ultrasonic microreactor designed for the synthesis of poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA) nanoparticles using the emulsion-solvent evaporation technique. The study successfully produced monodispersed PLGA nanoparticles with a polydispersity index (PDI) of less than 0.3 and diameters ranging from 20 to 300 nm, which are essential for biomedical applications. Through a detailed parametric investigation, optimal conditions were established, including ultrasonic power, PLGA concentration, and the ratio of aqueous to organic phase flow rates, allowing for the tuning of the mean hydrodynamic diameter (MHD) of the nanoparticles between 115 and 150 nm.
The findings also demonstrate the effective encapsulation of the hydrophobic dye Nile Red, achieving a dye loading of 0.34% and an encapsulation efficiency of 4%, consistent with previously reported values for smaller PLGA nanoparticles. The in vitro release profile of the Nile Red-loaded PLGA nanoparticles exhibited a triphasic pattern, characterized by an initial burst release followed by a secondary burst, likely due to the proximity of the dye to the nanoparticle surface and subsequent erosion of the nanoparticles. Overall, this work underscores the ultrasonic microreactor’s potential as a versatile platform for synthesizing PLGA nanoparticles, providing a viable alternative to traditional microfluidic methods while eliminating the need for undesirable solvents and additional processing steps.
Introduction
The introduction highlights the increasing prevalence of hydrophobic drugs with low bioavailability, prompting the need for effective drug delivery systems. Poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA), a biodegradable synthetic polymer approved by the US FDA and EMA, is extensively utilized for encapsulating and delivering various therapeutic agents, including proteins and nucleic acids. PLGA’s ability to tailor drug release profiles through modifications in molecular weight, particle size, and surface functionalization makes it a preferred choice for drug delivery applications. Optimal nanoparticle sizes for effective delivery are identified as being within the 20-200 nm range, with a polydispersity index (PDI) below 0.3 being ideal for biomedical applications.
The section further discusses two primary techniques for synthesizing PLGA nanoparticles: nanoprecipitation and emulsion-solvent evaporation. While nanoprecipitation can lead to variability in particle size and batch quality, microreactors offer a solution by providing controlled environments that enhance reproducibility and minimize size distribution. The introduction also notes the challenges associated with using toxic solvents in nanoprecipitation and presents emulsion-solvent evaporation as a safer alternative. The study aims to synthesize monodispersed PLGA nanoparticles using an ultrasonic microreactor, focusing on optimizing operational parameters and demonstrating the encapsulation and release of Nile Red, a hydrophobic dye, as a proof of concept.
Methods
In this study, PLGA nanoparticles were synthesized using an emulsion-solvent evaporation technique facilitated by a water-jet cut (WJR) ultrasonic microreactor. The materials employed included PLGA (Resomer® RG 504 H), poloxamer 407 as a surfactant, ethyl acetate, and Nile Red, all sourced from Sigma-Aldrich. A phosphate buffer (0.01 M, pH 7.4) was prepared for the experiments, and all procedures utilized Milli-Q water. The ultrasonic microreactor was equipped with a piezoelectric plate transducer (Pz26) and operated at resonance frequencies of 48 kHz and 142 kHz, with temperature control maintained at 30 °C during emulsification.
The experimental setup involved precise delivery of the aqueous and organic phases through syringe pumps, with the organic phase delivered via a glass syringe and the aqueous phase via a plastic syringe. The resonance frequency of the microreactor was confirmed using an impedance analyzer, and ultrasound was actuated through a signal generator connected to an amplifier. The reactor predominantly operated at the resonance frequency of 48 kHz, ensuring optimal conditions for nanoparticle synthesis.
Results
The results indicate that the application of ultrasound effectively generates cavitation bubbles within the crevices of a rough microchannel, facilitating the emulsification of the organic phase into the continuous aqueous phase. Notably, a residence time of 4 minutes was found to be adequate for achieving complete emulsification of the organic phase. These findings underscore the significance of ultrasound-assisted techniques in enhancing emulsification processes in microfluidic systems.
Discussion
In this study, PLGA nanoparticles were synthesized using an ultrasonic microreactor, with a focus on optimizing parameters such as ultrasonic power, organic phase viscosity, and PLGA concentration to achieve nanoparticles suitable for biomedical applications. The results indicated that the mean hydrodynamic diameter (MHD) of the nanoparticles could be tuned between 115-150 nm with a polydispersity index (PDI) below 0.3, indicating a monodispersed population. Notably, an increase in ultrasonic power initially reduced the MHD, but excessive power led to broader size distributions due to droplet coalescence. The optimal conditions were identified at an ultrasonic power of 10 W and a PLGA concentration of 12 mg mL⁻¹, which minimized particle size while maintaining structural integrity.
The study also explored the encapsulation of Nile Red within the PLGA nanoparticles, achieving an encapsulation efficiency (EE) of 4.13% and a dye loading (DL) of 0.34% at 15 W. The release profile of Nile Red exhibited a triphasic pattern, characterized by an initial burst release followed by slower release phases, attributed to the dye’s proximity to the nanoparticle surface and subsequent degradation of the polymer matrix. Overall, the findings suggest that the ultrasonic microreactor method is a promising alternative for PLGA nanoparticle synthesis, effectively eliminating the need for harmful solvents and additional processing steps while achieving desirable nanoparticle characteristics for drug delivery applications.