Droplet microfluidics tillhandahåller en robust plattform för att syntetisera och funktionalisera mikro- och nanopartiklar i en rad applikationer, inklusive läkemedelsleverans, screening, lab-on-a-chip och organ-on-a-chip-applikationer, inom kemisk och biomedicinsk teknik. Chitosan är ett biomaterial lämpligt för olika biomedicinska tillämpningar, inklusive antibakteriella bioaktiviteter med immunförstärkande och anticanceregenskaper. I en ny rapport som nu publicerats i Scientific Reports , Omid Sartipzadeh och ett tvärvetenskapligt forskarlag inom medicinsk nanoteknik, biomaterial och vävnadsteknik, i Teheran, Iran, beskrev rollen av kitosandroppar i ett mikrofluidchip. Resultaten indikerade hur olika storlekar och geometrier av kitosandroppar kunde fastställas genom att variera parametrarna för flera syften, inklusive läkemedelsleverans, vävnadsteknik och cellinkapsling. Teamet genomförde en experimentell studie som överensstämde med simuleringsresultaten för att bekräfta resultaten.

vävnadsteknik och mikrofluidik

Monodispersa mikro- och nanopartiklar har rönt stor uppmärksamhet över lab-on-a-chip-instrument och biosensorer för en rad tillämpningar inom vävnadsteknik. Materialforskare och bioingenjörer har gjort många försök att generera enhetliga mikro- och nanopartiklar på begäran. Gränsytans spänningar mellan faserna har dock gjort det svårt att tillhandahålla lämpliga mikro- och nanopartiklar med hög kvalitet. Eftersom typiska tekniker är dyra, komplexa och tidskrävande, försöker forskare att generera monodispersa mikro- och nanopartiklar med on-demand-morfologi, former och storlekar.

I detta arbete undersökte Sartipzadeh et al genereringshastigheterna för mikrofluidikdroppar, inklusive flödeshastighet via COMSOL Multiphysics simulatorprogramvara för att utveckla praktiska mikrofluidchips för kitosan-olja-kitosan dubbla emulsioner. De experimenterade först med en modell av beräkningsvätskedynamik för att förstå konfigurationen och egenskaperna hos droppar för att skapa en flödesfokuserad mikrokanal. Med hjälp av simuleringarna fick de ett tillvägagångssätt för att uppnå större förståelse för den komplexa processen på chipet. Resultaten gjorde det möjligt för teamet att kombinera två oblandbara vätskor och deras hastighet för att undersöka droppbildning, droppdiameter och deras genereringshastighet.

Sartipzadeh et al utvecklade de experimentella metoderna med tanke på resultaten av simuleringen. De undersökte de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos kitosan och doxorubicin; en typ av antracyklin/kemoterapiläkemedel, i förhållande till droppstorleken och hastigheten för droppbildning. Teamet bestämde mönstret och hastigheten för komponenterna med hjälp av en mikrofluidikflödesfokuserande enhet (MFFD) för att bestämma droppstorlek och produktionshastigheter. Baserat på resultaten uppnådde teamet en omfattande metod för att skapa mikrofluidiska droppar. MFFD:erna bibehöll inlopp och utloppsledningar för att reglera spridda och oblandbara vätskeströmmar som kolliderar med varandra vid en korsning. Forskarna noterade hur dropparna styrde nedströms huvudkanalen baserat på tryckgradienten och hastighetsflödet för installationen för att bilda fyra flödesnivåer. De medföljande ögonblicksbilderna från simuleringarna illustrerade droppkonfigurationen som en underordnad tid med varierande koncentrationer av kitosan och doxorubicin. Sartipzadeh et al designade och utvecklade mönstret för mikrofluidisk flödesformning på kiselwafer med hjälp av mjuk litografi, och gjutna formen på den mikrofluidiska flödesfokuserande enheten med polydimetylsiloxan. Teamet fäste formen av chipmönster på ett objektglas via syreplasma och injicerade sedan beståndsdelarna i chipet med hjälp av två pumpar för att undersöka mekanismerna för kombinerad mikrogeldropparproduktion.

Dropparbildningens dynamik

Teamet utforskade dynamiken i tryckstyrd vätskedropparbildning, där de noterade en signifikant ökning av trycket, jämfört med trycket före och efter processen. Fenomenet förlitade sig på tryckkraften, skjuvspänningen och ytspänningen. När trycket och skjuvspänningen var större än ytdragkraften började droppen att tjockna och tunnas. Dessutom förlitade sig kraftbalansen mellan parametrarna tryck, skjuvspänning och ytspänning på de fysikaliska egenskaperna hos lösningarna av intresse. Teamet undersökte koncentrationen av beståndsdelarna, i förhållande till droppens dimensioner, och indikerade en jämvikt mellan skjuvkraft och gränsytspänning. De beräknade vätskeflödet och dess effekt på flera applikationer, inklusive lab-on-chip immunoanalyser, och beräknade storleken på dropparna i förhållande till beståndsdelarnas koncentrationer, inklusive frekvensen av droppgenerering och antalet droppar som bildas i studien. Teamet krediterade resultaten till flera parametrar på plattformen.

Proof-of-concept:Läkemedelsfrisättningsprofiler för kemoterapiläkemedlet doxorubicin

Sartipzadeh et al utvecklade sedan en kitosan-doxorubicinblandning med olika koncentrationer av kitosan blandat med en specifik mängd av kemoterapiläkemedlet doxorubicin, för att förstå droppdiameterns beroende av viskositeten. Den ökande koncentrationen av kitosan ledde till en ökning av dess dynamiska viskositet för att producera droppar med varierande diametrar. Teamet undersökte sedan frisättningen av doxorubicin från kitosan i labbet, för att visa hur läkemedelsfrisättningsprofilen följde ett tvåvägsmönster, för att lyfta fram kitosans roll som mikrobärare av semi-riktade leveranssystem. Forskarna undersökte läkemedelsfrisättningsprofilerna från mikrobärarna vid två olika temperaturer och pH-nivåer, för att belysa toxiciteten hos inkapslat doxorubicin på cancerceller jämfört med det fria läkemedlet. Närvaron av bäraren gjorde processen för läkemedelsfrisättning mer biokompatibel för friska celler, jämfört med toxiciteten hos läkemedlet i dess fria form.

På detta sätt utvecklade Omid Sartipzadeh och kollegor en beräkningsvätskedynamikmodell för att förstå processen för biokompatibla kitosandroppars dimensioner och bildning i en flödesfokuserad mikrokanal. Simuleringsresultaten visade på ett alternativt tillvägagångssätt för att nå de förväntade experimentella resultaten. Baserat på studierna betonade teamet betydelsen av kitosans mikropartiklar för läkemedelsleveransapplikationer inom biomedicin. Den utmärkta bioaktiviteten, biokompatibiliteten och biologiska nedbrytbarheten gjorde materialet väl lämpat för olika tillämpningar i en mikrofluidisk enhet, inklusive läkemedelsscreening på lab-on-a-chip-plattformar och läkemedelsleverans inom organ-on-a-chip-instrument, med 3D-cellkulturer för att bedöma toxicitet hos läkemedelskandidater. Teamet genomförde en proof-of-concept-analys för att ta itu med betydande utmaningar inom biomedicin och lyfte fram rollen av kitosandroppar som mikrobärare för riktad farmaceutisk terapi. + Utforska vidare

Förbättra utskriftskvaliteten genom att använda ytaktiva ämnen

© 2022 Science X Network