可扩展的多级微流控平台，用于癌症治疗中载药磁性纳米颗粒的一锅合成与优化

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Scalable multistage microfluidic platform for one-pot synthesis and optimization of drug-loaded magnetic nanoparticles in cancer treatment

磁纳米颗粒微流控合成与靶向给药研究。通过响应面法优化多级微流控芯片制备壳聚糖包覆MNPs工艺，实现粒径104.3±15.34nm（包封效率81.3±1.6%），较传统批次法（172.8±35.33nm，39.6±2.1%）显著提升均一性。优势包括：合成时间缩短50%，无需惰性气体保护，包覆稳定性提高，释放动力学更可控，为规模化生产纳米药物载体提供新方案。

　　这项研究介绍了一种创新的微流控平台，用于合成负载吉西他滨的壳聚糖包覆磁性纳米颗粒（CsMNPs）。随着纳米技术的发展，多功能纳米载体在医学领域中的应用日益广泛，尤其是在癌症治疗中。磁性纳米颗粒（MNPs）因其能够实现靶向药物输送、控制药物释放以及对外部刺激的响应而受到关注。然而，目前仍然面临如何实现高通量、一步法合成MNPs的挑战，特别是在保证颗粒的均匀性、可重复性和高稳定性的同时，提高表面包覆效率和药物负载能力。

在本研究中，开发了一种集成多级微流控芯片，结合了基于分层的分裂与重组三维微混合器，为CsMNPs的制备提供了一个高效的平台。该平台利用微流控技术，使纳米颗粒的合成过程更加可控，并且能够实现连续流操作。此外，微流控系统还具有减少反应时间、消除惰性气体需求以及改善多分散指数等优势，从而实现可扩展、高质量的纳米颗粒生产。

研究采用了响应面法（RSM）对合成条件进行优化。通过调整总流量（TFR）等参数，确定了最佳的反应条件，以实现最高的过程效率。同时，将微流控合成的MNPs（MMNPs）与传统的批次流方法（BMNPs）进行了对比。结果表明，MMNPs的粒径为104.3?±?15.34?nm，封装效率（EE）为81.3?±?1.6?%，而BMNPs的粒径更大，为172.8?±?35.33?nm，EE仅为39.6?±?2.1?%。这些数据说明，微流控方法在提高纳米颗粒性能方面具有显著优势。

吉西他滨是一种脱氧胞苷类似物，被广泛用于多种实体瘤的化疗治疗，包括乳腺癌、肺癌、卵巢癌、结肠癌、膀胱癌和胰腺癌。在细胞内，吉西他滨需要通过脱氧胞苷激酶的磷酸化作用才能激活，其二磷酸（dFdCDP）和三磷酸（dFdCTP）形式能够干扰DNA合成。dFdCTP的整合被认为是诱导细胞凋亡的主要机制。然而，由于化疗药物主要针对分裂细胞，因此无法区分健康细胞和癌细胞，这导致了非特异性治疗和药物耐受性的发生。此外，吉西他滨在体内的半衰期较短，容易降解为无活性代谢物，并且可能引起系统性毒性，这些因素都限制了其临床应用。

因此，开发新的治疗策略，如基于纳米载体的药物输送，变得尤为重要。纳米载体能够提供更低的毒性、更精确的靶向性和更长的循环时间，从而改善治疗效果并提高患者生活质量。壳聚糖作为纳米载体的一种，因其良好的生物相容性、多阳离子特性和可生物降解性而受到青睐。壳聚糖通过部分N-脱乙酰化从甲壳素中制备，其分子中含有自由的氨基基团，使得其能够与带负电的物质（包括多种聚合物和MNPs）结合，并通过与三聚磷酸钠（TPP）的离子交联形成稳定的网络结构，从而实现药物的高效封装。

在本研究中，利用微流控技术对壳聚糖包覆的磁性纳米颗粒进行合成，并结合TPP进行交联，同时使用三钠柠檬酸盐进行稳定化，确保纳米颗粒的不聚集性和防止微流控通道堵塞和液体泄漏。通过微流控平台，研究人员能够实现更精确的混合控制，从而形成均匀且高质量的纳米颗粒。此外，微流控系统还能够生成具有可控多层结构和不同刚性的纳米颗粒，这为多种生物医学应用提供了更大的灵活性。

研究还探讨了微流控系统在合成纳米颗粒过程中的一些关键优势。例如，微流控技术能够实现对反应参数的精确控制，这是获得均匀纳米颗粒的重要条件。集成的微加热器可以提供一致的温度分布，这对于控制纳米颗粒的成核和生长过程至关重要。此外，微流控技术的高可重复性对于生物医学应用来说是不可或缺的，因为稳定的颗粒特性是确保治疗效果的关键因素。在微流控平台上使用微混合器，还可以解决传统方法中混合不充分导致的包覆不均匀和可重复性差的问题。增强的混合效率有助于形成均匀且高质量的包覆层，从而显著提升基于纳米颗粒的药物输送系统的性能。

研究结果表明，微流控合成的纳米颗粒在多个方面优于传统批次方法合成的纳米颗粒。首先，微流控方法能够实现更小的粒径，这有助于提高纳米颗粒在体内的靶向性和药物释放效率。其次，微流控方法的封装效率更高，这表明更多的药物能够被成功封装到纳米颗粒中，从而提高治疗效果。此外，微流控方法的合成时间更短，这有助于提高生产效率并减少成本。同时，微流控方法不需要惰性气体环境，这简化了合成过程并降低了操作复杂性。

在本研究中，使用的材料包括低分子量壳聚糖（LMW，85?%脱乙酰化）、TPP、三钠柠檬酸盐、氯化铁六水合物（FeCl??6H?O）、氯化亚铁四水合物（FeCl??4H?O）和吉西他滨盐酸盐。这些材料均从Sigma-Aldrich（德国）和Merck（德国）等公司购得。用于细胞培养的无血清RPMI 1640培养基、台盼蓝、磷酸盐缓冲盐水（PBS）和胰蛋白酶-EDTA则来自Biosera（英国）。

研究中还采用了响应面法（RSM）对合成条件进行优化。RSM是一种强大的统计工具，能够分析复合系统的性能，并通过实验设计策略解决优化问题。在本研究中，通过调整不同的总流量参数，确定了最佳的反应条件，以实现最高的过程效率。这种优化方法不仅提高了纳米颗粒的性能，还为未来的纳米药物开发提供了理论支持和实验依据。

研究的结论表明，成功设计了一种集成多级微流控芯片，结合三维微混合器，用于合成和优化负载吉西他滨的壳聚糖包覆磁性纳米颗粒。与传统批次方法相比，微流控技术显著减少了反应时间，并消除了合成磁性纳米颗粒所需的惰性气体环境。此外，微流控方法能够实现更精确的粒径控制和更高的封装效率，从而提升纳米颗粒的治疗效果。通过微流控平台，研究人员能够实现连续流操作，提高生产效率，并确保纳米颗粒的稳定性和可重复性。这些优势使得微流体方法在癌症治疗和更广泛的纳米医学应用中具有显著潜力。

这项研究的成果为未来的纳米药物开发提供了重要的参考。微流控技术不仅能够实现更高效的纳米颗粒合成，还能够通过精确的控制参数，提高纳米颗粒的性能。通过结合三维微混合器，研究人员能够实现更均匀的混合和包覆，从而提升纳米颗粒的质量。此外，微流控方法还能够减少生产成本，提高资源利用效率，并实现大规模生产。这些特点使得微流控技术成为未来纳米医学研究的重要工具。

在未来的癌症治疗中，基于纳米载体的药物输送系统有望成为一种重要的治疗手段。通过微流控技术，研究人员能够实现更精确的药物封装和释放控制，从而提高治疗效果并减少副作用。此外，微流控技术还能够通过调控纳米颗粒的表面性质，提高其在体内的靶向性和稳定性，从而延长其在体内的循环时间。这些改进对于提高纳米药物的临床应用价值具有重要意义。

总体而言，这项研究展示了微流控技术在纳米药物合成中的巨大潜力。通过开发一种集成多级微流控芯片，研究人员能够实现更高效的纳米颗粒合成，并提高其性能。这种技术不仅能够解决传统方法中存在的问题，还能够为未来的纳米医学研究提供新的思路和方法。随着微流控技术的不断发展，其在纳米药物开发中的应用将变得更加广泛和深入。