独特的翼型结构微流控技术用于高通量脂质纳米颗粒配方筛选及放大生产

《Advanced Science》：Unique Aerofoil-Structured Microfluidics for High Throughput Lipid Nanoparticle Formulation Screening and Scale-up

高分子纳米颗粒（LNP）制备高通量微流控平台及规模化生产技术。采用独特翼型结构微混合器，实现0.2-50 mL/min宽流量范围下的高效混合与LNP均匀制备，支持从微量筛选到升量生产的无缝衔接。平台包含MiNANO-form（8通道高通量筛选系统）和MiNANO-scale（连续生产系统），显著降低LNP开发成本达58%，保持粒径38-150 nm、PDI<0.2的高质量标准。经mRNA、pDNA和siRNA递送验证，在HEK293、A549和CFBE细胞中展现优异转染效率与细胞安全性。创新性结合微流控动力学优化与模块化设计，为RNA疗法提供标准化制造解决方案。

　　近年来，RNA药物作为一种革命性的治疗手段，因其在基因治疗、疫苗开发以及精准医疗中的巨大潜力而受到广泛关注。特别是，基于脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticles, LNPs）的RNA递送系统，已成为当前RNA药物研发的核心技术之一。LNPs不仅能够有效保护RNA免受酶解和降解，还能够提高其在体内的递送效率和靶向性，为多种疾病的治疗提供了新的可能性。然而，LNPs的开发过程面临诸多挑战，包括如何在保持纳米颗粒质量的同时，实现高通量筛选和大规模生产。这些问题限制了RNA药物的临床转化速度和成本效率，成为制约其广泛应用的关键瓶颈。

为解决上述问题，研究团队设计并开发了一种新型的高通量微流控平台，该平台通过引入独特的翼型结构微混合器，实现了对LNPs的高效合成、优化和规模生产。这一平台不仅能够适应从微小体积到大体积的生产需求，还能在不同流速范围内保持纳米颗粒的均一性和稳定性。传统的RNA药物合成方法存在诸多局限，如手动混合精度不足、批次间一致性差，而自动化系统虽然提高了通量，但往往难以实现纳米颗粒的均匀合成，并且在扩展性方面也存在困难。相比之下，该微流控平台通过优化流体混合机制，显著提升了LNPs的合成效率和质量，为RNA药物的快速开发和生产提供了强有力的技术支持。

微流控技术的核心在于其对纳米颗粒形成过程的精确控制。在该研究中，微流控混合器的设计基于流体力学原理，通过引入翼型结构，实现了在不同流速条件下的高效混合。这种结构能够有效增强流体的混合效果，同时减少RNA的损失，确保纳米颗粒的均匀性。研究团队通过计算流体动力学（CFD）模拟和实验验证相结合的方式，对混合机制进行了深入分析。结果表明，翼型结构在低、中、高流速下均能实现良好的混合效果，尤其在高流速下，其混合性能显著优于传统设计。此外，该混合器在不同流速下均能保持纳米颗粒的尺寸和多分散系数（PDI）在理想范围内，从而为RNA药物的高质量生产奠定了基础。

在实际应用中，该平台通过一个8通道的微流控芯片，实现了对多种LNPs配方的并行合成。这一设计不仅提高了实验效率，还有效避免了不同配方之间的交叉污染问题。通过将芯片与标准的96孔板和8通道移液器兼容，该平台能够无缝地集成到现有的实验室流程中，适用于多种细胞系的实验验证。实验结果显示，该平台能够稳定地生成尺寸在38–150纳米之间、PDI低于0.2的纳米颗粒，其性能在不同流速条件下均表现出高度的一致性。此外，该平台还支持从实验室规模的筛选到工业化规模的生产，从而解决了RNA药物研发过程中常见的“小规模筛选—大规模生产”之间的技术断层问题。

为了进一步验证该平台的性能，研究团队进行了多种细胞实验，包括GFP mRNA和pDNA的转染实验，以及siRNA的细胞摄取实验。实验结果表明，该平台合成的LNPs在HEK293、A549和CFBE细胞中均表现出优异的转染效率和细胞摄取能力，且细胞存活率保持在较高水平（超过90%）。这不仅证明了该平台在合成质量上的优势，也表明其在实际应用中的可行性。特别是在基因治疗和个性化疫苗开发领域，这种高通量、低成本、高质量的LNPs合成平台，具有重要的应用价值。

此外，该平台在经济性和材料利用率方面也展现出显著优势。通过优化设计，研究团队成功将每种配方的最小工作体积降低至100–400微升，相比传统微流控平台的1毫升/配方，大大减少了RNA和脂质的消耗。这一成果不仅降低了实验成本，还减少了实验过程中产生的废物，提高了资源利用效率。在对比实验中，MiNANO-form平台的综合成本比商用平台Ignite降低了约58%，显示出其在实际应用中的经济优势。

为了支持大规模生产，研究团队还开发了MiNANO-scale系统，该系统能够实现高达50毫升/分钟的连续流速，并且保持纳米颗粒的尺寸和PDI的一致性。这一系统通过扩大微流控芯片的结构，实现了从实验室规模到工业规模的无缝过渡。其设计不仅考虑了流速的适应性，还确保了在高流速下仍能保持良好的混合效果和纳米颗粒质量。这为RNA药物的工业化生产提供了可行的技术路径，有助于加快从实验室研究到临床应用的转化过程。

在制造工艺方面，该平台采用了先进的微流控芯片制造技术，包括PDMS和COC塑料芯片的制作。通过一系列精密的加工步骤，如光刻、软烘焙、紫外曝光、显影、PDMS浇铸和固化，以及最终的热压密封，确保了芯片的高精度和良好的气密性。此外，为了提高生产效率和稳定性，研究团队还引入了双蠕动泵系统，以实现对不同流速的精确控制。这一设计不仅提高了系统的灵活性，还确保了在不同生产规模下的稳定运行。

综上所述，该高通量微流控平台在RNA药物的合成与生产方面具有多重优势。其独特的翼型结构混合器能够在不同流速下实现高效的纳米颗粒合成，同时保持良好的批次一致性。8通道微流控芯片的设计提高了实验通量，减少了交叉污染的风险，并且能够兼容现有的实验室设备，便于实际应用。此外，该平台在经济性和材料利用率方面也表现出色，显著降低了RNA药物研发的成本。MiNANO-scale系统的开发进一步拓展了该平台的应用范围，使其能够支持从实验室到工业规模的连续生产。这些技术突破不仅为RNA药物的开发提供了新的工具，也为未来利用人工智能和机器学习加速配方优化奠定了基础。通过这一平台，RNA药物的开发流程得以显著缩短，为个性化医疗和基因治疗的快速推进提供了有力支持。