[논문 리뷰] Influence of Micro-mixing on the Size of Liposomes Self-Assembled from Miscible Liquid Phases

Sopan M. Phapal, P. Sunthar|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 12.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 38인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 에탄올 주입 기반 마이크로유체 합성에서 리포좀 크기가 유량 비율에 의해만 결정되는 것이 아니라, 마이크로 대류 혼합 동역학에 의해 지배됨을 입증한다. 단순한 동축 유량 집중 장치를 사용하여 점성 분포에 의한 유체역학적 불안정성이 부드러운 혼합을 유도함으로써, 더 큰 이중막 리포좀(최대 약 300 nm)을 형성하는 것을 보여주며, 난류 또는 드롭렛 기반 혼합은 더 작은 비스클을 생성함으로써, 공액화 기반 리포좀 형성에서 크기 제어의 핵심 메커니즘을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단순하고 쉽게 제작할 수 있는 동축 마이크로유체 장치를 개발하여 단일분포 이중막 리포좀 합성을 실현한다.
• 에탄올 주입 방법에서 마이크로혼합 메커니즘이 리포좀 크기 분포에 미치는 영향을 조사한다.
• 비가소성 상 혼합계에서 레이놀즈 수준의 확산이 혼합을 지배한다고 보는 기존 가정을 도전하고, 대신 유체역학적 불안정성이 크기 선택의 핵심 요인임을 규명한다.
• 유동에 의해 유도된 혼합 길이 척도와 최종 리포좀 크기 사이의 관계를 수립하여 약물 전달 적용 분야에서 예측 가능한 제어를 가능하게 한다.
• 특히 마이크로유체 조건에서 공액화 기반 리포좀 형성의 크기 선택에 대한 경험적이고 기계적 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 에탄올-지질 용액이 중심 채널을 통과하고 물이 외부 애너귤러 채널을 통과하는 동축 코어-애너귤러 마이크로유체 기하구조를 사용하였다.
• 유량 조절을 통해 유체역학적 집중을 달성하여 안정적이고 대칭적인 유량 프로파일을 확보하였으며, 이는 분석 모델링에 적합하였다.
• 에탄올과 물 상 사이의 점성 분포가 유체역학적 불안정성(레이놀즈-타일러 유사)을 유도하여 부드럽고 대규모 혼합을 촉진하였다.
• 리포좀 형성은 FEI Quanta 250 FEG ESEM 및 SAIF/CRNTS 이미징 시설을 활용한 현장 이미징을 통해 모니터링되었다.
• 혼합 제도는 페클레트 수(Pe)를 사용하여 특성화되었으며, 고-Pe(층류, 최소 혼합), 중간-Pe(불안정성 유도 혼합), 저-Pe(확산 지배)로 나누어졌다.
• 리포좀 크기는 다양한 유량 비율과 점성 조건에서의 마이크로그래프 분석을 통해 비스클 직경 분포를 정량화하여 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 대류 불안정성과 확산 혼합의 차이가 에탄올 주입 마이크로유체에서 리포좀 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복잡한 리소그래피가 필요 없이 단순하고 쉽게 제작할 수 있는 동축 마이크로유체 장치가 단일분포 이중막 리포좀을 합성할 수 있는가?
• RQ3 점성 분포가 어떻게 유체역학적 불안정성을 유도하고 혼합 동역학 및 리포좀 크기에 영향을 미치는가?
• RQ4 유량 비율이 유사한데도 난류/드롭렛 기반 혼합과 안정적인 불안정성 유도 혼합 제도 간에 리포좀 크기가 크게 다른 이유는 무엇인가?
• RQ5 유량 비율만이 아니라 혼합 길이 척도가 공액화 기반 자가 조립에서 리포좀 크기 선택을 설명하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 단순한 동축 마이크로유체 장치를 통해 고도의 제작 기술이 필요 없이 좁은 크기 분포를 가진 이중막 리포좀 합성을 실현하였으며, 단일분포를 달성하였다.
• 점성 분포에 의한 유체역학적 불안정성이 유도된 조건에서 리포좀 크기가 크게 증가하였으며, 평균 크기는 약 300 nm에 도달했고, 난류 혼합 조건에서는 약 100 nm에 머물렀다.
• 기존의 가정과는 달리 고-Pe 유동에서도 혼합이 순수하게 확산에 의해 일어나지 않으며, 대신 대규모 길이 척도에서 혼합을 강화하는 유체역학적 불안정성이 주요 원인임을 규명하였다.
• 리포좀 크기는 대류 혼합의 길이 척도와 강하게 상관관계가 있었으며, 불안정성에 의해 유도된 대규모 혼합은 더 큰 리포좀을, 소규모 난류 혼합은 더 작은 비스클을 생성함을 보였다.
• 오랫동안 지속된 가정인 '비가소성 상 혼합계에서 층류 확산이 혼합을 지배한다'는 것을 뒤집었으며, 특정 유동 조건에서 불안정성 유도 혼합이 주요 메커니즘임을 입증하였다.
• 결과적으로 리포좀 크기 선택은 유동에 의해 유도된 혼합 길이 척도와 막 에너지 균형의 상호작용에 의해 결정되며, 공액화 방법에서 리포좀 크기의 예측 가능한 설계를 위한 길을 열었다.