[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究表明，在基于乙醇注入的微流控合成中，脂质体尺寸受微对流混合动力学控制，而非仅由流速比决定。通过一种简单的同轴流聚焦装置，研究发现粘度分层引起的水力不稳定性可诱导温和混合，生成更大的单层脂质体（最大约300 nm）；而湍流或液滴状混合则产生更小的囊泡，揭示了在分相凝聚机制中控制脂质体尺寸的关键机制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简单、易于制造的同轴微流控装置，用于合成单分散的单层脂质体。
• 研究微混合机制对乙醇注入法中脂质体尺寸分布的影响。
• 挑战传统假设，即互溶相体系中层流扩散主导混合过程，转而识别水力不稳定性为尺寸选择的关键驱动力。
• 建立流动诱导混合尺度与最终脂质体尺寸之间的关联，实现在药物递送应用中的预测性控制。
• 提供关于分相凝聚机制中脂质体尺寸选择的实证与机理洞察，尤其在微流控环境中的表现。

提出的方法

• 采用同轴内流-外流微流控结构，乙醇-脂质溶液通过中心通道流动，水通过外环形通道流动。
• 通过流量控制实现水力聚焦，形成稳定、对称的流场，适用于解析建模。
• 乙醇与水相之间的粘度分层诱导了水力不稳定性（类似瑞利-泰勒不稳定性），促进温和、大尺度的混合。
• 利用FEI Quanta 250 FEG ESEM和SAIF/CRNTS成像设施进行原位成像，监测脂质体形成过程。
• 通过佩克莱特数（Pe）对混合模式进行表征，区分高Pe（层流，混合极少）、中Pe（不稳定性驱动混合）和低Pe（扩散主导）三种模式。
• 通过分析不同流速比和粘度条件下显微图像中的囊泡直径分布，量化脂质体尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 微混合的性质——特别是对流不稳定性与扩散混合——如何影响乙醇注入微流控中的脂质体尺寸？
• RQ2 是否可通过一种简单、易于制造的同轴微流控装置，在无需复杂光刻工艺的情况下合成单分散的单层脂质体？
• RQ3 粘度分层在诱导水力不稳定性、改变混合动力学及脂质体尺寸方面发挥何种作用？
• RQ4 为何在流速比相近的情况下，湍流/液滴状混合与稳定、不稳定性驱动的混合模式下，脂质体尺寸存在显著差异？
• RQ5 在分相凝聚自组装过程中，混合尺度（而非仅流速比）在多大程度上可解释脂质体尺寸的选择？

主要发现

• 一种简单的同轴微流控装置成功实现了单层脂质体的合成，且尺寸分布窄，实现了单分散性，无需依赖先进制造技术。
• 在粘度分层水力不稳定性条件下，脂质体尺寸显著增大，平均尺寸可达约300 nm，而湍流混合条件下仅为约100 nm。
• 本研究发现，在高Pe流动中，混合并非如传统假设的纯粹依赖扩散，而是由水力不稳定性驱动，增强了大尺度上的混合效率。
• 脂质体尺寸与对流混合的尺度密切相关：大尺度混合（由不稳定性引起）产生更大的脂质体，而小尺度湍流混合则生成更小的囊泡。
• 研究结果反驳了长期以来认为层流扩散主导互溶体系中混合过程的假设，表明在特定流动条件下，不稳定性驱动的混合才是主导机制。
• 研究结果表明，脂质体尺寸选择由流动诱导的混合尺度与膜能平衡之间的相互作用所决定，为分相凝聚方法中脂质体尺寸的预测性设计提供了新路径。