用于控制立方体纳米颗粒尺寸形成的微流控聚焦技术

《Langmuir》：Microfluidic Flow-Focusing for Size-Controlled Formation of Cubosomes

Cubosomes通过微流控液压聚焦溶剂交换法实现尺寸调控，Q_R增大使混合时间缩短，促进自组装，尺寸范围125-195 nm，显著优于传统批量方法。

　　近年来，纳米技术在药物输送领域的应用不断拓展，其中脂质体（liposomes）和立方体（cubosomes）因其独特的结构和功能成为研究热点。Cubosomes 是一种由脂质双连续立方相和两相渗透水通道网络构成的纳米级胶体分散体系，这种结构赋予了其对极性及非极性分子的高效封装能力，因此在药物和基因治疗中具有重要价值。本研究采用了一种基于微流控技术的溶剂交换方法，通过调控流速比（Q_R）来实现对 cubosomes 粒径的精确控制，使得其尺寸可以从 195 nm 缩小至 125 nm，同时保持较低的多分散性指数（PDI）。

### 1. 研究背景与意义

Cubosomes 的结构特性源于其双连续立方相，这种相结构在物理化学上具有显著的稳定性，通常由两相互穿的水通道网络和脂质双层网络构成。这种结构在特定条件下（如高水含量）能够形成，而其形态可能受到其他脂质或封装分子的影响。例如，当引入 siRNA 或其他药物时，可能使结构从双连续立方相转变为 gyroid 相或 primitive 相。这种灵活性使得 cubosomes 在多种药物输送场景中具备应用潜力，但其尺寸控制一直是研究中的关键挑战。

传统制备方法在控制 cubosomes 粒径方面存在局限，这限制了其在实际应用中的效果。例如，top-down 方法需要高能量输入来破碎较大的双连续结构，可能会对敏感药物造成损伤。相比之下，bottom-up 方法，如溶剂交换，通过控制溶剂极性变化和混合条件来实现自组装过程，但其混合过程在微纳米尺度上难以精确调控，导致粒径分布不均。因此，寻找一种能够实现精确粒径控制的方法成为研究重点。

### 2. 微流控技术的应用

微流控技术为解决这一问题提供了新的思路。通过设计特定的微流控装置，可以实现对混合过程的精确控制，从而调控 cubosomes 的尺寸。本研究采用了一种交叉形微流控装置，其中脂质溶液（phytantriol 与乙醇）被引入中央通道，并被两侧的水溶液（含稳定剂 F127）进行流体力学聚焦。这种聚焦过程通过调整流速比（Q_R）来控制中心流体的宽度，进而影响溶剂交换时间和混合过程。

在微流控装置中，中心流体的宽度（w_f）与流速比（Q_R）之间存在近似关系，即 w_f 与 Q_R 的倒数成正比。因此，随着 Q_R 的增加，中心流体的宽度减小，导致溶剂交换时间缩短。这一过程有助于实现更快的自组装，从而形成更小的 cubosomes。同时，微流控装置的层流条件（Reynolds 数低于 17）确保了混合过程的可控性，避免了不必要的湍流效应。

### 3. 实验方法与结果

在实验中，通过调整 Q_R，研究人员能够观察到 cubosomes 粒径的显著变化。对于不同初始脂质浓度（C_phyt.init）和流速比，实验结果显示 cubosomes 的粒径呈现出系统性的变化趋势。例如，当 C_phyt.init 为 1 wt % 时，随着 Q_R 的增加，cubosomes 的粒径从 195 nm 减小至 125 nm，且多分散性指数（PDI）保持在较低的范围内。这一趋势在统计上具有显著性（p ≤ 0.011），表明 Q_R 是调控 cubosomes 粒径的关键参数。

为了验证 cubosomes 的形成及其结构特性，研究人员采用了 SAXS（小角 X 射线散射）和 Cryo-TEM（冷冻透射电子显微镜）等技术。SAXS 分析结果显示，cubosomes 的结构符合 Pn3?m 空间群，且其晶格参数和双层厚度均与实验条件一致。Cryo-TEM 图像进一步确认了 cubosomes 的存在及其尺寸分布，同时也观察到了部分双层结构的 vesicles。

此外，DLS（动态光散射）技术用于定量分析 cubosomes 的粒径变化。实验结果显示，随着 Q_R 的增加，cubosomes 的粒径减小，且这一趋势在所有 C_phyt.init 条件下均具有统计显著性。通过统计分析，研究人员发现 Kendall、Spearman 和 Pearson 三种方法均显示了 cubosomes 粒径与 Q_R 之间的强负相关性，进一步支持了 Q_R 在粒径调控中的作用。

### 4. 粒径调控机制

粒径调控的关键在于理解溶剂交换过程中的混合时间和自组装时间之间的平衡。混合时间（τ_mix）由中心流体的宽度（w_f）和溶剂的扩散系数（D_m）决定，而自组装时间（τ_assbl）则与脂质的浓度和稳定剂的扩散有关。当混合时间小于自组装时间时，系统倾向于形成更多的核（nuclei），从而产生更小的颗粒；反之，则倾向于生长更大的颗粒。

在本研究中，通过调整 Q_R，研究人员能够实现对混合时间的精确控制。例如，当 Q_R 增加时，中心流体的宽度减小，导致溶剂交换时间缩短，从而促进更快的自组装过程。这一机制使得 cubosomes 的粒径能够从 195 nm 减小至 125 nm，且在不同初始脂质浓度下均能保持较高的调控性。

### 5. 水在前驱液中的作用

为了进一步拓展粒径调控的范围，研究人员还测试了在前驱液中加入水的效果。实验结果显示，当在前驱液中加入 29 wt % 的水时，cubosomes 的粒径在 Q_R 增加时减小得更快，但在 Q_R 较低时反而增大。这一现象可能与 F127 的扩散有关。在 Q_R 较低时，中心流体较宽，F127 需要更长时间才能扩散到核形成区域，可能导致核的形成过程较慢，从而产生较大的颗粒。

而在 Q_R 较高时，中心流体较窄，F127 能够更快地扩散到核形成区域，从而促进核的稳定，减少颗粒的生长。这一现象表明，水在前驱液中的存在不仅影响溶剂交换过程，还可能通过调控 F127 的扩散时间来影响 cubosomes 的粒径。

### 6. 研究意义与展望

本研究的结果表明，通过微流控技术的流体力学聚焦溶剂交换方法，能够实现对 cubosomes 粒径的精确控制，从而为药物和基因治疗提供新的材料基础。与传统的溶剂交换方法相比，微流控方法在粒径调控上表现出显著的优势，特别是在统计显著性和粒径分布的均匀性方面。

未来研究应进一步优化装置设计，以减少实验中的批次差异和外部扰动，提高 cubosomes 的一致性和可扩展性。此外，探索更窄的通道几何结构（如 50 × 50 μm2）可能有助于进一步缩短混合时间，从而实现更小的 cubosomes 粒径。同时，研究脂质和稳定剂浓度与 Q_R 之间的关系，以及在不同条件下的自组装机制，将有助于更全面地理解 cubosomes 的形成过程，为实际应用提供更精确的指导。

总的来说，本研究为 cubosomes 的制备和应用提供了新的思路和方法，特别是在粒径调控方面。通过精确控制混合时间和自组装时间，研究人员能够实现对 cubosomes 粒径的系统性调控，为药物和基因治疗提供更高效和可控的纳米载体。