闪速纳米降水 (fnp) 是一种可扩展的制备聚合物核壳纳米粒子的方法。描述了用于疏水或亲水性疗法封装的实验室规模配方。
将治疗化合物配制成纳米颗粒 (nps) 可以赋予其独特的特性。对于水溶性差的药物, np 制剂可以提高生物利用度, 改变体内的药物分布。对于亲水药物, 如肽或蛋白质, 封装在 np 内也可以提供保护免受自然清除机制。很少有可扩展的聚合物 nps 生产技术。闪速纳米降水 (fnp) 是一种利用工程混合几何形状生产尺寸分布窄、可调谐尺寸在30至400纳米之间的 nps 的过程。该协议为利用 fnp 生产目标尺寸的核壳聚合物纳米粒子提供了指导。该议定书可以用来封装亲水性或疏水性化合物, 只需稍作修改。这种技术可以很容易地在实验室中使用, 在毫克范围, 以筛选配方。铅命中可以直接放大到语法和公斤级。作为一个连续的过程, 扩展涉及更长的混合过程运行时间, 而不是转换到新的工艺容器。fnp 生产的 np 具有较高的治疗性, 具有致密稳定聚合物刷, 其尺寸重现性为±6%。
自20世纪90年代末以来, 使用纳米材料的临床试验数量稳步增加 1,2。人们的兴趣不断增加, 反映出纳米材料有望提高疏水药物的生物利用度, 并使体内的优先目标成为3。聚合物纳米粒子 (这里称为纳米粒子或 nps) 在这类材料2中所占的比例越来越大。nps 由于具有高度可调谐的属性 (如大小、成分和表面功能化4) 而引起了人们的兴趣。当应用于不溶性药物的管理时, nps 通常具有核心壳结构, 其中治疗方法封装在疏水芯中, 外壳由亲水性聚合物刷子组成。生成这种结构的一个简单方法是使用一种两亲性的二块共聚物 (bcp), 该共聚物由构成颗粒核一部分的可降解疏水块和亲水的聚乙二醇 (peg) 块组成, 形成聚合物刷和固定类固醇稳定4,5。
纳米沉淀是聚合物纳米粒子的一种常用制备技术, 因为它简单, 不需要大量的能量.在最简单的形式中, 纳米沉淀涉及到通过在有机溶剂 (如丙酮) 中的 np 成分的移液器添加到过量的搅拌水中。溶剂对稀水溶液的变化导致了不溶性核心成分的沉淀。稳定剂在这个不断生长的颗粒表面上组装, 由吸附塌陷的疏水块7,8,9,10。当溶剂和水迅速混合形成均匀的溶液时, 就得到了均匀的粒径分布。混合速度比部件的成核和组装慢, 会产生更大、更多的多分散粒子群。虽然可方便地进行简单的测试, 但由于混合不一致, 搅拌批处理方法会导致很大的可变性, 并且不适合放大6,11。微流体已成为 np 生产的另一个途径, 可以连续运行。丁人等人最近对这种生产资料进行了审查。11.一种常见的方法是使用层流聚焦, 将溶剂长度刻度降低到亚微米值。抗溶剂的混合是通过扩散产生的, 因此小的流动尺寸对于确保颗粒11、12 的均匀性至关重要。对于大批量生产来说, 用于放大的多个微流体室的平行化是个问题。
在微流体中交替产生有利于均匀纳米沉淀的快速混合条件, 可以在封闭的湍流中产生。闪速纳米降水 (fnp) 采用特殊的混合几何形状, 在比微流体更高的体积流量下实现这些条件。入口流在湍流条件下进入混合室, 从而产生涡旋, 使溶剂中的抗溶剂层板形成在扩散的长度尺度上 11,13。因此, 在比成核和生长更短的时间尺度上进行均匀混合。混频器的约束几何结构不允许流绕过发生湍流能量耗散的区域, 整个系统经历相同的过程历史13。成核在混合室中均匀地发生, 颗粒生长一直持续到 bcp 组装到表面9,14。然后, 含有稳定颗粒的混合流可以用额外的抗溶剂稀释, 以抑制 15、16、17 的奥斯特瓦尔德成熟。
密闭冲击射流 (cij) 混频器是 fnp 最简单的混频器设计, 允许以可扩展和连续的方式混合两个流, 如图 1 a13所示。开发了多入口涡流混合器 (mivm), 以实现多达四个不同的流输入, 同时仍然实现均匀颗粒形成所需的快速微混化, 如图 1 b18所示。fnp 可实现简单的配方筛选, 可轻松转化为商业规模的生产。由于工艺的连续性, 较大的批次尺寸不需要新的容器, 而是更长的运行时间, 从而能够在同一设备列车上实现千公斤规模的生产。
亲水化合物, 如肽和蛋白质 (“生物制剂”) 也可以封装在一个过程中, 称为逆闪速纳米降水 (ifnp)。这项技术需要一种两亲性的 bcp, 其中一个块是疏水的, 另一个是聚酸19。第一步是将含有生物和 bcp 的二甲基亚硫醚 (dmso) 流与二氯甲烷或氯仿等亲脂性溶剂快速混合。这导致形成的粒子稳定与疏水块刷。在这里, 这样的架构将被称为 “倒置” np。核心包含多酸, 然后使用多价阳离子进行离子交联。这通过文献19、20、21中报告的技术, 稳定颗粒以微粒子或 ppeg 涂层纳米颗粒的形式加工成水环境。
该方案可用于聚合物核壳纳米粒子包覆疏水或亲水性化合物的实验室规模生产。该协议的子部分提供了关于使用这两个混频器类的说明–cij 和 mivm。读者应该能够调整协议的新核心组件和可重复生成所需尺寸的纳米粒子使用适当的混频器的流输入。下面介绍了使用 fnp 和 ifnp 的三个示例配方。二使用 cij 混频器和一个要求 mivm15,22。第一种配方表明了 fnp 对一种新型疏水化合物的包封作用。第二个配方演示了用 fnp 在 cij 混合器中封装模型亲水化合物的方法。最终的配方提供了一个例子, 蛋白质封装由 ifnp 使用 mivm。第三种配方的协议描述了使用一个小规模的手持式 mivm, 称为 “μmivm”。混频器的设计较小, 可以简化配方筛选, 但缩放行为是很好理解的, 混频器不是微流体设备22。该议定书的最后一节包括一些关于扩大筛选中确定的铅制剂的说明。这些配方旨在为学习该工艺提供接入点, 从而使用不可降解的聚 (苯乙烯) 聚合物。文献中描述了替代稳定剂, 有一些生物相容性商业选择有14、23、24.
如《议定书》第1步所述, 维生素 e 等疏水化合物的包封已被广泛描述为9、14、28。由于混合的时间尺度小于颗粒聚集和生长的时间尺度, 因此产生了相对单分散的颗粒。具体而言, 混合溶剂-溶剂-溶剂溶液迅速变得均匀, 使成核均匀地发生。块共聚物的组装到颗粒表面, 然后提供类固醇稳定, 停止粒子生长5。由于在室内的混合时间 (湍流) 是进入流量到 cij 或 mivm 的函数, 因此有一个入口速率, 它发生在过渡到湍流混合之后, 其中颗粒大小基本上是恒定的 13。这为这一过程提供了额外的鲁棒性, 因为可以容忍入口流量的一些批次间变化 (即注射器抑制速度), 而不会对最终 np 大小产生重大影响, 如图 3所示。较低或不均匀的入口速度可能会导致更大的颗粒或更多的多分散分布, 如失火示例所示。fnp 还被扩展到通过逆闪速纳米降水将亲水性化合物封装在纳米粒子中。这些倒置纳米粒子随后可用于制造微粒子或涂覆 peg, 以产生水分散纳米粒子25。基本的装配原理保持不变, 尽管在交联粒子核方面增加了复杂性。这对于粒子在水环境中的稳定是必要的。一般来说, 与聚酸块相比, 1:1 的电荷比就足够了, 尽管通过添加碱基19 来调整 ph 值可以促进离子相互作用。在该协议中, 只描述了形成倒置 nps 的第一个过程步骤。
除了快速混合, fnp 或 ifnp 的成功配方仅限于可以满足多个条件的情况 9,14。首先, 所有流输入都必须是混溶的。虽然乳液已被用于生产 nps, fnp 需要一个统一的溶液相在搅拌机。其次, 核心部件必须在混合器中的溶剂条件下几乎不溶于水 (对于 cij, 按体积计算为 50, 500 混合物), 以推动快速成核。否则, 在用抗溶剂进一步稀释后, 相当一部分将保持未封装或沉淀。mivm 可以使混合室中的抗溶剂含量更高, 以解决核心材料的溶解度限制。从溶解度数据中生成过饱和曲线通常是有用的, 因为溶剂组合物的函数可以指导工艺设计 9。图 6显示了两种化合物的代表性曲线。在混合室条件下的低过饱和度值得在不同的成分下操作, 通常使用 mivm。较高的过饱和度有利于核心成分的成核而不是颗粒生长, 但核心材料和稳定剂的组装时间不匹配可能会导致治疗的大量聚集。达加多和普鲁德霍姆详细回顾了这种过饱和曲线的应用.最后, bcp 必须在溶剂流中分子溶解, 而抗溶剂流必须对一个块进行选择性。bcp 必须是足够的两亲性, 以提供一个溶解驱动力, 从折叠块锚定稳定剂的粒子表面和溶解块, 以赋予粒子的类固醇稳定性。协议中描述的溶剂以外的溶剂只要满足这些约束, 就可以使用。
人工注射器操作的实践可以提高筛查过程中的成功率。如上所述, 在过渡到均匀、湍流混合条件之上的操作意味着在过程 28中可以容忍流量的微小变化。由于可重现的入口流量, 可扩展到泵驱动的计算机控制流, 可实现更大的一致性。在颗粒后处理过程中的任何时候, 目视检查或 dls 分析都可能表明存在可能是偶然灰尘或颗粒不稳定造成的大型集料。必要时, 可以使用适当的过滤孔径对流进行筛选。在没有聚集体的情况下, 我们发现, 如果标称滤光片尺寸大于粒径分布, 则在过滤聚乙二醇涂层纳米颗粒时, 通常会损失不到5% 的质量。在过滤集料时, 有必要对过程中丢失的质量进行实验测定。质量损失的量化可以通过两种方式之一进行。在过滤前后, 通过热重分析可以确定给定体积中的总固体质量, 以确定变化的程度 (见补充信息第2节)。或者, 颗粒可以回收 (例如, 通过冻干) 和溶解在一个良好的溶剂。然后可以通过一种适当的技术, 如紫外线可见分光光度法或色谱法, 直接测量核心材料的浓度。
对于 fnp, 必须从水分散体中去除残留的 10% vol% 有机溶剂 (例如thf)。这可以通过蒸发蒸馏 14,29, 透析30, 或切向流动过滤 31,32。所提供的引文中介绍了每个处理步骤的实际注意事项。对于透析, 典型的膜是 3.5 kda 或 6-8 kda 截止, 虽然更大的选择是可用的。这种分子量的截止量足以在使用几个镀液变化进行24小时透析时去除溶剂。切向流过滤的使用需要进行一定的工艺开发, 因为必须注意避免由于膜表面的浓度极化而导致聚集。我们发现, 将有机溶剂的组成降低到一个系统相关的值之下, 通常是 2-10vol%, 消除了膜表面的聚集。经过加工后, 纳米颗粒的浓度很容易通过热重分析来确定 (见补充信息第2节)。通常最好以高度稳定的形式运输或储存粒子。水分散体可以简单地使用干冰/丙酮混合物快速冷冻, 然后储存在-80°c。或者, 干粉可以通过冻干33,34或喷雾干燥 24获得。通常情况下, 必须添加低温保护剂, 以减少在冷冻或干燥过程中的纳米颗粒聚集。糖 (蔗糖、海藻糖等)、聚乙二醇或环糊精可以通过 dls35、36、37、 38岁加工过程中常见的 np 稳定性问题往往与核心的溶解度或相分离有关, 导致在流动性增加的情况下重新排列到较低的能量状态。使用共核材料、替代稳定剂或改性的外部溶液组合物有助于提高稳定性14、16、17、39、40、 41岁
如上所述, 如果需要实现较高的过饱和度, mivm 可在混合室内实现更高的抗溶剂含量。它还可以允许在反应性或溶解性约束需要时, 将物种物理隔离到两个以上的流中。一个例子是在抗生素氯非嗪24中形成玉米蛋白稳定纳米颗粒.在丙酮流中引入疏水氯非他嗪;玉米素是在60% 乙醇水溶液中引入的;酪蛋白与玉米素配合物是由水缓冲流引入的, 第四流是增加水与丙酮和乙醇比例的附加缓冲液。由于氯非他嗪和玉米蛋白酶不溶于普通溶剂, 需要两种溶剂流。这个过程在双机 cij 混频器中无法完成。这种蛋白质稳定制剂还表明, fnp 并不局限于 bcp 稳定剂。雅努斯颗粒的生产没有稳定剂42, 并已证明了一系列低成本稳定剂的口服应用 24。值得注意的是, 共聚物, 如羟基丙基甲基纤维素, 可以用来代替嵌段共聚物24。岩心材料可以通过多种技术使其更具疏水性。疏水离子配对已被应用于封装具有中间溶解度43、44、45 的多种化合物。产生了极端疏水的原药物, 然后封装了 46。核酸通过与阳离子脂质47的络合进行包化.重要的是, 这些研究表明, fnp 可以产生一系列的粒子表面化学物质。此外, 还使用了含有一小部分 bcp 的混合稳定剂, 这些稳定剂已在链端使用有针对性的配体进行了修改。这样可以精确控制表面上的配体含量, 因为颗粒成分反映了输入流成分23,48。同样, 也可以纳入多种核心成分, 包括染料和无机纳米颗粒3、8.
闪速纳米降水是一种可扩展的方法, 可用于处理由疏水或亲水性核组成的聚合物纳米粒子。如果满足上述标准, 通常95% 以上的核心材料被封装在粒子的高质量分数。这里介绍的三个例子是在台秤上进行的, 每个进料流需要几毫克的材料和大约0.5 毫升的材料。这样就可以快速筛选颗粒条件, 以优化配方。将铅配方扩大到更大的批次尺寸是一个运行时间更长的问题, 这可以很容易地通过使用注射器泵或流量控制器来实现。相比之下, 批量添加纳米沉淀的扩大在保持添加点的足够微混合性和考虑改变容器几何形状49的影响方面面临着有据可查的挑战。这是一个主要障碍, 因为以一致的方式制造颗粒以满足 fda 要求50 至关重要.微流体技术还可以产生均匀、可重复的纳米粒子, 但只能在毫克范围内生产。例如, karnik等人报告说, 药物释放研究51的产率为 0.25 mg min。进一步扩大通常需要以高昂的资本成本进行并行化12。使用 fnp, 只需使用注射器泵和几个配件以 600 mg/min 的速度生产出1克纳米颗粒, 即可连接到混频器入口。因此, fnp 既代表了可访问的实验室规模筛选工具, 也代表了用于翻译工作的 np 生产的可扩展方法。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了 optimeos 生命科学、国家科学基金会 (cbet 16058166年)、比尔和梅林达·盖茨基金会 (bmgf, opp1150755) 和国家科学基金会研究生研究研究金 (dge-1656666) 资助的资助。K. D. R。
Confined Impinging Jets Mixer | NA | NA | See supplemental information for engineering drawings. Review text for new mixer validation |
Luer fitting | Idex Health & Science | P-604 | Assemble on CIJ or MIVM mixer inlet with corresponding threads |
Plug fitting | Idex Health & Science | P-309 | Assemble on CIJ mixer sides (seal access point from drilling) |
Outlet fitting – CIJ | Idex Health & Science | P-205 | Assemble with ferrule and tubing on CIJ chamber outlet |
Outlet ferrule – CIJ | Idex Health & Science | P-200 | Assemble with outlet fitting (large end flush with tubing) |
Outlet tubing – CIJ | Idex Health & Science | 1517 | Use tubing cutter for clean ends. Ensure extra tubing doesn't protrodue into mixing chamber |
Tetrahydrofuran (THF) | Fisher Scientific | T425-4 | Use stabilizer-free THF to avoid solubility limits of BHT. Peroxides may interfere in some applications. |
Norm-ject syringe (3 ml) | VWR | 53548-017 | |
Vitamin E (α-tocopherol) | Sigma-Aldrich | 90669-50G-F | Store cold |
poly(styrene-b-ethylene glycol), PS1.6k-b-PEG5k | Polymer Source | P13141-SEO | Other block sizes acceptable depending on application |
poly(styrene)1.8k | Polymer Source | P2275-S | Example hydrophobic core material |
Scintillation vial | DWK Lifesciences | 74504-20 | |
Luer-slip plastic syringes, 1ml (100 pk) | National | S7510-1 | |
Maltodextrin DE 4-7 | Sigma-Aldrich | 419672-100G | |
poly(styrene-b-acrylic acid), PS5k-b-PAA4.8k | Polymer Source | P5917-SAA | Other block sizes acceptable depending on application |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | D159-4 | |
Calcium chloride dihdyrate | Sigma-Aldrich | 223506-25G | Hygroscopic. |
Methanol | Fisher Scientific | A452-4 | |
Ammonium Hydroxide | Fisher Scientific | AC423300250 | |
Albumin from chicken egg white (Ovalbumin, OVA) | Sigma-Aldrich | A5503-1G | |
Multi-Inlet Vortex Mixer | NA | NA | See supplemental information for engineering drawings. Review text for new mixer validation |
Outlet fitting – MIVM | Idex Health & Science | P-942 | Combination with ferrule |
Outlet tubing – MIVM | NA | NA | Fit to ferrule ID. |
O-ring (MIVM) | C.E. Conover | MM1.5 35.50 V75 | Order bulk – consumable part. Ensure solvent compatibility if using an alternative source. |
Mixer stand | NA | NA | See Markwalter & Prud'homme for design.17 |