DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-025-01009-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40877246
تاريخ النشر: 2025-08-28
المؤلف: Elioth Macias وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث عملية جديدة من خطوة واحدة لتخليق كريات الميكروسكوب ذات النواة والقشرة من الكيتوزان والألجينات اللامعة، والتي تعتبر أساسية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية الحيوية مثل توصيل الأدوية والتشخيص. باستخدام جهاز ميكروفلويديك مركزي، تستفيد الدراسة من حساسية الرقم الهيدروجيني للكيتوزان وخصائص الجل الأيوني للألجينات لتحقيق أشكال نواة وقشرة محددة جيدًا. تم تقديم وضع تشغيل مبتكر على شكل نبضات للتخفيف من دمج الجسيمات وضمان توليد حجم موحد.
إن دمج نقاط الكم الجرافينية المفلورة والمفعلّة بالنيتروجين في الكريات يعزز من فائدتها في التصوير في الوقت الحقيقي في السياقات التشخيصية والعلاجية. إن إضافة الجيلاتين السمكي إلى محلول الألجينات يحسن من التوافق الحيوي، حيث تجاوزت نسبة بقاء خلايا C2C12 88% بعد 15 يومًا، وحافظت نسبة بقاء البكتيريا على نفس النسبة بعد يومين. أظهرت الكريات الناتجة تكاملًا هيكليًا ممتازًا على مر الزمن وعرضت قابلية كبيرة للتوسع، مما يسهل الإنتاج المستمر لكميات كبيرة دون المساس بالوظائف. تفتح هذه المنهجية الفعالة آفاقًا جديدة للعلاجات المستهدفة، وتجديد الأنسجة، والتشخيص.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدمات والتطبيقات في الميكروفلويديات، لا سيما في المجالات الطبية الحيوية. تقدم الميكروفلويديات، التي تتضمن معالجة السوائل في قنوات صغيرة، فوائد مثل تقليل استخدام المواد الكيميائية وزيادة التحكم في العمليات الكيميائية. يتم تسليط الضوء على أجهزة الميكروفلويديك المركزية لسهولة حملها، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها على معالجة كميات كبيرة من العينات دون مضخات خارجية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الرعاية الفورية. تؤكد الورقة على إمكانيات هذه الأجهزة في توليد الجسيمات الدقيقة، وخاصة كريات النواة والقشرة المصنوعة من الكيتوزان والألجينات، والتي تعتبر مهمة لتوصيل الأدوية بشكل محكم والتشخيص.
تعتبر مشكلة كبيرة في توليد الجسيمات الدقيقة هي التكتل، مما قد يؤثر على القابلية للتكرار والتوسع. يقترح المؤلفون طريقة تشغيل جديدة على شكل نبضات للميكروفلويديات المركزية التي تخفف من هذه المشكلة من خلال منع دمج القطرات من خلال تعديل التحكم في سرعة الدوران. تعزز هذه الطريقة من تجانس الكريات وتبسط عملية الإنتاج، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات الطبية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة دمج نقاط الكم الجرافينية المفلورة (NGQDs) كعوامل مفلورة في كريات النواة والقشرة، مما يوفر توهجًا مستقرًا للتصوير في الوقت الحقيقي والتشخيص، مع إثبات التوافق الحيوي وقابلية التوسع في الإنتاج.
طرق
استخدمت الدراسة جهازًا عالي الإنتاجية، يُشار إليه باسم HTCMD، لإنتاج كريات النواة والقشرة من الكيتوزان والألجينات بشكل قابل للتوسع، مع التركيز على التحكم الدقيق في حجم الجسيمات. يتميز هذا الجهاز بهيكل أسطواني متعدد القنوات مطبوع ثلاثي الأبعاد، والذي تم تحسينه لعملية فعالة. لتحقيق أحجام مختلفة من الكريات، استخدم الباحثون أقطار إبر الحقن 480 ميكرومتر، 410 ميكرومتر، 340 ميكرومتر، و240 ميكرومتر كمنصات قنوات دقيقة للمرحلة المشتتة من الكيتوزان، كما هو موضح في الشكل التكميلي S1. تتيح هذه الطريقة المنهجية التلاعب المنظم بأبعاد الكريات، وهو أمر حاسم للتطبيقات في توصيل الأدوية وغيرها من المجالات الطبية الحيوية.
نتائج
تصف قسم النتائج في الورقة البحثية تطوير وتحسين جهاز ميكروفلويديك مركزي عالي الإنتاجية (HTCMD) لتصنيع كريات النواة والقشرة من الكيتوزان والألجينات. يعمل الجهاز من خلال الدوران بسرعات دورانية مختلفة، مما يسهل طرد محلول الكيتوزان إلى مرحلة الألجينات المستمرة، مما يبدأ عملية الربط المتقاطع لتشكيل الكريات. أدت العملية المستمرة الأولية إلى تكتل الكريات بسبب دوران الجسم الصلب، مما أثر على تكاملها الهيكلي. لمعالجة ذلك، تم تنفيذ طريقة تشغيل جديدة على شكل نبضات، مما يسمح بتحقيق تجانس أفضل في الحجم وتقليل دمج الكريات من خلال قطع الحركة الدورانية بشكل دوري، مما يعزز عملية الربط المتقاطع.
تتفاصيل الدراسة أيضًا تحسين المعلمات مثل سرعة الدوران وقطر الفوهة، والتي أثرت بشكل كبير على حجم وسمك القشرة للكريات. على سبيل المثال، عند 900 دورة في الدقيقة، تم قياس حجم القطرات عند 800 ميكرومتر، بينما عند 1100 دورة في الدقيقة، انخفض إلى 720 ميكرومتر. تشير النتائج إلى وجود علاقة سلبية بين قطر النواة وسرعة الدوران، بينما تأثر سمك القشرة بشكل أساسي بمدة الحضانة في محلول الألجينات. أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن تضمين المجموعات الوظيفية (FG) في الألجينات حسّن من مرونة الكريات. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تقييمات البقاء للخلايا C2C12 المحاطة وبكتيريا EcNF معدلات بقاء عالية، مما يشير إلى التوافق الحيوي للكريات، خاصة عند دمج نقاط الكم غير المبيضة (NGQDs) لتطبيقات التصوير الحيوي المحتملة. بشكل عام، أثبت جهاز HTCMD فعاليته في إنتاج كريات بحجم وشكل ووظائف محسّنة للتطبيقات الطبية الحيوية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الدراسة الضوء على فعالية التشغيل النبضي في أجهزة الميكروفلويديك المركزية عالية الإنتاجية لإنتاج كريات النواة والقشرة من الكيتوزان والألجينات القابلة للتوافق الحيوي والمضيئة المدمجة مع نقاط الكم المفعلة بالنيتروجين (NGQDs). تخفف هذه الطريقة بشكل فعال من تكتل الجسيمات، وهي مشكلة شائعة في التصنيع المركزي المستمر، مما يسهل التصنيع القابل للتوسع دون الحاجة إلى مواد أو خطوات إضافية. تظهر الكريات الناتجة تجانسًا في الحجم والشكل، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة. من الجدير بالذكر أن خلايا C2C12 المحاطة أظهرت أكثر من 88% من البقاء خلال فترة حضانة مدتها 15 يومًا، مما يشير إلى بيئة متوافقة مع الخلايا تدعم بقاء الخلايا، حتى في وجود NGQDs.
ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أن الخلايا المحاطة لم تتمدد، على الأرجح بسبب نقص محفزات التصاق الخلايا في قشرة الألجينات. يُقترح إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف تركيبات هيدروجيل بديلة، مثل GelMA، والتي قد تعزز من التصاق الخلايا وتمايزها. كما يُقترح دمج المواد الوظيفية، بما في ذلك عوامل النمو والعوامل العلاجية، لتوسيع نطاق تطبيقات هذه الكريات في السياقات الطبية والصناعية. بشكل عام، تقدم النتائج تقدمًا كبيرًا في الأدبيات الحالية حول تصنيع كريات النواة والقشرة، مما يوفر نهجًا مبسطًا وفعالًا من حيث الموارد يحمل وعدًا للتصوير الحيوي، وتوصيل الأدوية المستهدف، وتطبيقات العلاج التشخيصي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-025-01009-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40877246
Publication Date: 2025-08-28
Author(s): Elioth Macias et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
The research presents a novel one-step process for the high-throughput synthesis of monodisperse, luminescent chitosan-alginate core-shell microspheres, which are essential for various biomedical applications such as drug delivery and diagnostics. Utilizing a centrifugal microfluidic device, the study leverages the pH sensitivity of chitosan and the ionic gelation properties of alginate to achieve well-defined core-shell morphologies. An innovative pulsed mode operation was introduced to mitigate particle merging and ensure uniform size generation.
Incorporating fluorescent, nitrogen-functionalized graphene quantum dots into the microspheres enhances their utility for real-time imaging in diagnostic and therapeutic contexts. The addition of fish gelatin to the alginate solution improves biocompatibility, with C2C12 cell viability exceeding 88% after 15 days and bacterial viability maintaining the same percentage after 2 days. The resulting microspheres demonstrated excellent structural integrity over time and showcased significant scalability, facilitating the consistent production of large quantities without compromising functionality. This efficient methodology opens new avenues for targeted therapies, tissue regeneration, and diagnostics.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements and applications of microfluidics, particularly in biomedical fields. Microfluidics, which involves the manipulation of fluids in microscale channels, offers benefits such as reduced reagent use and enhanced control over chemical processes. Centrifugal microfluidic devices are highlighted for their portability, cost-effectiveness, and ability to process large sample volumes without external pumps, making them suitable for point-of-care applications. The paper emphasizes the potential of these devices in generating microparticles, specifically core-shell microspheres made from chitosan and alginate, which are important for controlled drug delivery and diagnostics.
A significant challenge in microparticle generation is agglomeration, which can compromise reproducibility and scalability. The authors propose a novel pulsed mode operation for centrifugal microfluidics that mitigates this issue by preventing droplet merging through controlled modulation of rotational speed. This method enhances the uniformity of microspheres and simplifies the production process, making it more suitable for biomedical applications. Additionally, the incorporation of nitrogen-functionalized graphene quantum dots (NGQDs) as fluorescent agents in the core-shell microspheres is discussed, offering stable luminescence for real-time imaging and diagnostics, with demonstrated biocompatibility and scalability in production.
Methods
The study utilized a high-throughput device, referred to as the HTCMD, for the scalable production of chitosan-alginate core-shell microspheres, emphasizing precise control over particle size. This device features a 3D-printed multichannel cylindrical structure, which is optimized for efficient operation. To achieve varying microsphere sizes, the researchers employed syringe needle diameters of 480 µm, 410 µm, 340 µm, and 240 µm as microchannel dispensers for the chitosan dispersed phase, as illustrated in Supplementary Figure S1. This methodological approach allows for systematic manipulation of microsphere dimensions, which is critical for applications in drug delivery and other biomedical fields.
Results
The results section of the research paper describes the development and optimization of a high-throughput centrifugal microfluidic device (HTCMD) for the fabrication of chitosan-alginate core-shell microspheres. The device operates by spinning at varying rotational speeds, which facilitates the ejection of a chitosan solution into a sodium alginate continuous phase, initiating crosslinking to form microspheres. Initial continuous operation led to aggregation of microspheres due to solid body rotation, compromising their structural integrity. To address this, a novel pulsed operation method was implemented, allowing for better size uniformity and reduced merging of microspheres by periodically interrupting the rotational motion, thus enhancing the crosslinking process.
The study further details the optimization of parameters such as rotational speed and nozzle diameter, which significantly influenced the size and shell thickness of the microspheres. For instance, at 900 rpm, the droplet size was measured at 800 µm, while at 1100 rpm, it reduced to 720 µm. The findings indicate a negative correlation between core diameter and rotational speed, while shell thickness was primarily influenced by the incubation duration in the alginate solution. Mechanical tests demonstrated that the inclusion of functional groups (FG) in the alginate improved the elasticity of the microspheres. Additionally, viability assessments of encapsulated C2C12 cells and EcNF bacteria showed high survival rates, indicating the biocompatibility of the microspheres, particularly when incorporating non-bleaching quantum dots (NGQDs) for potential bioimaging applications. Overall, the HTCMD proved effective in producing microspheres with controlled size, shape, and enhanced functionality for biomedical applications.
Discussion
The discussion section of the study highlights the efficacy of pulsed operation in high-throughput centrifugal microfluidic devices for the production of biocompatible and luminescent chitosan-alginate core-shell microspheres embedded with nitrogen-doped quantum dots (NGQDs). This method effectively mitigates particle aggregation, a common issue in continuous centrifugal fabrication, thereby facilitating scalable manufacturing without the need for additional materials or steps. The resulting microspheres demonstrate uniformity in size and shape, making them suitable for applications in drug delivery and tissue engineering. Notably, the encapsulated C2C12 cells exhibited over 88% viability over a 15-day incubation period, indicating a cytocompatible environment that supports cell survival, even in the presence of NGQDs.
However, the study notes that the encapsulated cells did not elongate, likely due to the lack of cell adhesion motifs in the alginate shell. Future research is suggested to explore alternative hydrogel formulations, such as GelMA, which may enhance cell attachment and differentiation. The incorporation of functional materials, including growth factors and therapeutic agents, is also proposed to broaden the application scope of these microspheres in medical and industrial contexts. Overall, the findings significantly advance the existing literature on core-shell microsphere fabrication, offering a streamlined and resource-efficient approach that holds promise for bioimaging, targeted drug delivery, and theranostic applications.