La microscopia e le immagini bidimensionali del meccanismo di formazione dell'ingiunzione di goccioline di microgel CS + DOX, (a) fase di latenza, (b) fase di riempimento, (c) fase di necking, (d) distacco. Le velocità della fase CS + DOX e dell'olio vegetale sono state regolate a 3,3 e 11,1 mm/s. La concentrazione di CS e DOX sono rispettivamente 0,2% e 13,75 (µg/ml). Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-022-12031-9
La microfluidica delle goccioline fornisce una solida piattaforma per sintetizzare e funzionalizzare micro e nanoparticelle in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la somministrazione di farmaci, lo screening, le applicazioni lab-on-a-chip e organ-on-a-chip, attraverso l'ingegneria chimica e biomedica. Il chitosano è un biomateriale adatto per diverse applicazioni biomediche, comprese le bioattività antibatteriche con proprietà di potenziamento immunitario e antitumorali. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Rapporti scientifici , Omid Sartipzadeh e un gruppo di ricerca interdisciplinare in nanotecnologie mediche, biomateriali e ingegneria dei tessuti, a Teheran, Iran, hanno descritto il ruolo delle goccioline di chitosano in un chip microfluidico. I risultati hanno indicato come diverse dimensioni e geometrie delle goccioline di chitosano potrebbero essere stabilite variando i parametri per diversi scopi, tra cui la somministrazione di farmaci, l'ingegneria tissutale e l'incapsulamento cellulare. Il team ha condotto uno studio sperimentale che concordava con i risultati della simulazione per confermare i risultati.
Ingegneria dei tessuti e microfluidica
Le micro e nanoparticelle monodisperse hanno attirato grande attenzione negli strumenti lab-on-a-chip e nei biosensori per una vasta gamma di applicazioni nell'ingegneria dei tessuti. Scienziati dei materiali e bioingegneri hanno fatto molti tentativi per generare micro e nanoparticelle uniformi su richiesta. Tuttavia, le tensioni interfacciali tra le fasi hanno reso difficile fornire micro e nanoparticelle idonee di alta qualità. Poiché le tecniche tipiche sono costose, complesse e richiedono molto tempo, i ricercatori cercano di generare micro e nanoparticelle monodisperse con morfologia, forme e dimensioni su richiesta.
In questo lavoro, Sartipzadeh et al hanno studiato i tassi di generazione delle goccioline microfluidica, inclusa la velocità del flusso tramite il software di simulazione COMSOL Multiphysics per sviluppare pratici chip microfluidici per doppie emulsioni chitosano-olio-chitosano. Per prima cosa hanno sperimentato un modello di fluidodinamica computazionale per comprendere la configurazione e le caratteristiche delle goccioline per creare un microcanale focalizzato sul flusso. Utilizzando le simulazioni, hanno ottenuto un approccio per ottenere una maggiore comprensione del complesso processo su chip. I risultati hanno consentito al team di combinare due fluidi immiscibili e la loro velocità per esaminare la formazione di goccioline, il diametro delle goccioline e la loro velocità di generazione.
Il modello dell'MFFD applicato nelle simulazioni:mesh e situazioni limite specificate per la generatrice di goccioline microfluidica nel modello bidimensionale. Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-022-12031-9
Sartipzadeh et al hanno sviluppato i metodi sperimentali in vista dei risultati della simulazione. Hanno studiato le proprietà fisiche e chimiche del chitosano e della doxorubicina; un tipo di farmaco antraciclina/chemioterapico, relativo alla dimensione delle goccioline e alla velocità di creazione delle goccioline. Il team ha determinato il modello e la velocità dei componenti utilizzando un dispositivo microfluidico di focalizzazione del flusso (MFFD) per determinare le dimensioni delle goccioline e i tassi di produzione. Sulla base dei risultati, il team ha ottenuto un metodo completo per creare goccioline microfluidiche. Gli MFFD mantenevano ingressi e condotti di uscita per regolare i flussi di fluidi dispersi e immiscibili che collidevano tra loro a un'intersezione. Gli scienziati hanno notato come le goccioline si siano orientate a valle del condotto principale in base al gradiente di pressione e al flusso di velocità dell'impianto per formare quattro livelli di flusso. Le istantanee di accompagnamento delle simulazioni hanno illustrato la configurazione delle goccioline come subordinato del tempo con concentrazioni variabili di chitosano e doxorubicina. Sartipzadeh et al. hanno progettato e sviluppato il modello di formazione del flusso microfluidico su wafer di silicio utilizzando la litografia morbida e hanno gettato lo stampo del dispositivo di focalizzazione del flusso microfluidico con polidimetilsilossano. Il team ha legato lo stampo dei modelli di chip su un vetrino tramite plasma di ossigeno, quindi ha iniettato i componenti nel chip utilizzando due pompe per esaminare i meccanismi di produzione combinata di goccioline di microgel.
Dinamica di formazione delle goccioline
Il CS (chitosano) con una concentrazione dello 0,2% e 13,75 mg di DOX (doxorubicina) per ml di soluzione CS. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) della gocciolina di microgel CS + DOX di risultato sperimentale ha determinato che la portata volumetrica della fase CS + DOX era di 3,3 mm/s e la portata volumetrica della fase oleosa era di 11,1 mm/s. Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-022-12031-9
Il team ha esplorato la dinamica della formazione di goccioline di liquido sotto pressione, dove hanno notato un aumento significativo della pressione, rispetto alla pressione prima e dopo il processo. Il fenomeno si basava sulla forza di pressione, sforzo di taglio e tensione superficiale. Quando la pressione e lo sforzo di taglio erano maggiori della forza di trazione superficiale, la gocciolina ha iniziato a ispessirsi e assottigliarsi. Inoltre, l'equilibrio di forze tra i parametri di pressione, sforzo di taglio e tensione superficiale si basava sulle proprietà fisiche delle soluzioni di interesse. Il team ha esplorato la concentrazione dei costituenti, rispetto alle dimensioni della gocciolina, e ha indicato un equilibrio tra forza di taglio e tensione interfacciale. Hanno calcolato il flusso del liquido e il suo effetto su diverse applicazioni, compresi i test immunologici lab-on-chip, e hanno calcolato la dimensione delle goccioline rispetto alle concentrazioni costituenti, inclusa la frequenza di generazione delle goccioline e il numero di goccioline formate nello studio. Il team ha attribuito i risultati a diversi parametri della piattaforma.
Proof-of-concept:profili di rilascio di farmaci del farmaco chemioterapico doxorubicina
Sartipzadeh et al hanno quindi sviluppato una miscela di chitosano-doxorubicina con diverse concentrazioni di chitosano mescolata con una quantità specifica del farmaco chemioterapico doxorubicina, per comprendere la dipendenza del diametro delle goccioline dalla viscosità. La crescente concentrazione di chitosano ha portato ad un aumento della sua viscosità dinamica per produrre goccioline di vari diametri. Il team ha quindi studiato il rilascio di doxorubicina dal chitosano in laboratorio, per mostrare come il profilo di rilascio del farmaco seguisse un modello a due vie, per evidenziare il ruolo del chitosano come microcarrier di sistemi di somministrazione semi-mirati. Gli scienziati hanno esaminato i profili di rilascio del farmaco dai microcarrier a due diverse temperature e livelli di pH, per evidenziare la tossicità della doxorubicina incapsulata sulle cellule tumorali rispetto al farmaco libero. La presenza del vettore ha reso il processo di rilascio del farmaco più biocompatibile per le cellule sane, rispetto alla tossicità del farmaco nella sua forma libera.
La procedura della pendenza della pressione nel punto P per la durata della configurazione delle goccioline. Il punto P determina il punto situato all'ingresso del condotto principale. Riverbera lo sviluppo del processo di formazione delle goccioline. Formazione di goccioline in tre fasi:(I) Lag, (II) Riempimento e (III) Necking. La velocità CS + DOX è stabile a 3,3 mm/s e la velocità dell'olio vegetale è pari a 11,1 mm/s. Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-022-12031-9
(a) Comportamento di assorbimento cellulare di DOX da parte della linea cellulare di cancro al seno MCF-7. ( b ) Comportamento di assorbimento cellulare di CS-DOX da parte della linea cellulare di cancro al seno MCF-7. DAPI è usato per colorare i nuclei delle cellule. A causa della sua natura fluorescente, DOX fa diventare rosso il citoplasma cellulare sull'imaging fluorescente. Le immagini confermano l'assorbimento del farmaco da parte delle cellule. Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-022-12031-9
In questo modo, Omid Sartipzadeh e colleghi hanno sviluppato un modello di fluidodinamica computazionale per comprendere il processo delle dimensioni delle goccioline di chitosano biocompatibili e la formazione in un microcanale focalizzato sul flusso. I risultati della simulazione hanno evidenziato un approccio alternativo per raggiungere i risultati sperimentali attesi. Sulla base degli studi, il team ha sottolineato il significato delle microparticelle di chitosano per le applicazioni di somministrazione di farmaci in biomedicina. L'eccellente bioattività, biocompatibilità e biodegradabilità, hanno reso il materiale adatto a varie applicazioni in un dispositivo microfluidico, incluso lo screening di farmaci su piattaforme lab-on-a-chip e la somministrazione di farmaci all'interno di strumenti organ-on-a-chip, con colture cellulari 3D per valutare la tossicità dei farmaci candidati. Il team ha condotto un'analisi proof-of-concept per affrontare sfide significative in biomedicina e ha evidenziato il ruolo delle goccioline di chitosano come microcarrier per la terapia farmaceutica mirata. + Esplora ulteriormente
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