[論文レビュー] Influence of Micro-mixing on the Size of Liposomes Self-Assembled from Miscible Liquid Phases

Sopan M. Phapal, P. Sunthar|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2013

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 38被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、エタノール注入型マイクロフラウドニクスを用いたリポソームのサイズが、単に流量比に依存するのではなく、マイクロ対流混合ダイナミクスに支配されることを示している。単純な同心円流動焦点型デバイスを用いて、粘度勾配による流動不安定性が穏やかな混合を引き起こし、より大きなユニラミナリップソーム（最大約300 nm）を形成することを示した。一方、乱流またはドロップレットベースの混合では小さなバイオセンスが生成され、コアクセルベーションに基づくリポソーム形成におけるサイズ制御の重要なメカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

Ethanol injection and variations of it are a class of methods where two miscible phases---one of which contains dissolved lipids---are mixed together leading to the self-assembly of lipid molecules to form liposomes. This method has been suggested, among other applications, for in-situ synthesis of liposomes as drug delivery capsules. However, the mechanism that leads to a specific size selection of the liposomes in solution based self-assembly in general, and in flow-focussing microfluidic devices in particular, has so far not been established. Here we report two aspects of this problem. A simple and easily fabricated device for synthesis of monodisperse unilamellar liposomes in a co-axial flow-focussing microfluidic geometry is presented. We also show that the size of liposomes is dependent on the extent of micro-convective mixing of the two miscible phases. Here, a viscosity stratification induced hydrodynamic instability leads to a gentle micro-mixing which results in larger liposome size than when the streams are mixed turbulently. The results are in sharp contrast to a purely diffusive mixing in macroscopic laminar flow that was believed to occur under these conditions. Further precise quantification of the mixing characteristics should provide the insights to develop a general theory for size selection for the class of ethanol injection methods. This will also lay grounds for obtaining empirical evidence that will enable better control of liposome sizes and for designing drug encapsulation and delivery devices.

研究の動機と目的

• 単分散性の高いユニラミナリップソーム合成が可能な、簡単で容易に製造可能な同心円マイクロフラウドニクスデバイスの開発。
• エタノール注入法におけるマイクロミキシングメカニズムがリポソームサイズ分布に与える影響の調査。
• 可混和相系において層流拡散が支配的であるという仮定に反し、流体の不安定性がサイズ選択の主要因であることを特定。
• 流れによって誘発されるミキシングスケールと最終的なリポソームサイズとの関係を確立し、ドラッグデリバリー応用における予測的制御を可能にする。
• とりわけマイクロフラウドニクス環境下におけるコアクセルベーションに基づくリポソーム形成におけるサイズ選択に関する実験的・メカニスティックな知見の提供。

提案手法

• エタノール-リピッド溶液を中央チャネルに、水を外側のアニュラーチャネルに流す、同心円コア-アニュラーのマイクロフラウドニクス幾何形状を用いた。
• 流量制御により流体的焦点化を達成し、安定的かつ対称的な流れプロファイルを形成させ、解析的モデル化に適した状態を実現した。
• エタノールと水の相間の粘度勾配が、レイノルズ＝ターレス型の流体不安定性を誘発し、大規模で穏やかな混合を促進した。
• リポソーム形成は、FEI Quanta 250 FEG ESEMおよびSAIF/CRNTS画像取得施設を用いたイン・スイット画像法によりモニタリングされた。
• ミキシング状態はペクレット数（Pe）を用いて特徴づけられ、高Pe（層流、最小混合）、中間Pe（不安定性駆動混合）、低Pe（拡散支配）に分類された。
• リポソームサイズは、異なる流量比および粘度条件におけるマクロ画像から得られたバイオセンス径分布の解析により定量された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロミキシングの性質、特に対流不安定性と拡散混合の違いが、エタノール注入マイクロフラウドニクスにおけるリポソームサイズにどのように影響を与えるか？
• RQ2 複雑なリソグラフィーを要しない、簡単で容易に製造可能な同心円マイクロフラウドニクスデバイスが、単分散性の高いユニラミナリップソームを生成できるか？
• RQ3 粘度勾配が流体不安定性を誘発し、ミキシングダイナミクスとリポソームサイズをどのように変化させるか？
• RQ4 同じ流量比であっても、乱流／ドロップレット混合と安定的で不安定性駆動の混合の間でリポソームサイズに顕著な差が生じる理由は何か？
• RQ5 流量比のみでなく、ミキシングスケールがコアクセルベーションに基づく自己集合におけるリポソームサイズ選択をどの程度説明できるか？

主な発見

• 簡単な同心円マイクロフラウドニクスデバイスを用いることで、高度なプロセス技術を要せずとも、狭いサイズ分布のユニラミナリップソームが合成可能であり、モノ分散性が達成された。
• 粘度勾配による流体不安定性が生じる条件下ではリポソームサイズが顕著に増大し、平均サイズが最大約300 nmに達した。これに対して、乱流混合下では約100 nmにとどまった。
• 本研究では、高Pe条件下でも混合が純粋に拡散的であるという従来の仮定に反し、大規模なスケールで混合を促進する流体不安定性が主なメカニズムであることが明らかになった。
• リポソームサイズは対流混合のスケールと強く相関しており、不安定性に起因する大規模混合は大きなリポソームを、小規模な乱流混合は小さなバイオセンスを生成する。
• 長年にわたり広く受け入れられてきた「可混和系において層流拡散が支配的である」という仮定に反し、特定の流量条件下では不安定性駆動混合が主要なメカニズムであることが示された。
• 本研究の結果は、リポソームサイズ選択が、流れによって誘発されるミキシングスケールと膜エネルギーバランスの相乗作用に支配されることを示唆し、コアクセルベーション法を用いたリポソームサイズの予測的設計への道筋を示した。