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微流體衍生的口服微載體系統(tǒng)

  • 來源:國際醫(yī)藥商情
  • 關(guān)鍵字:口服,微流體,微載體系統(tǒng)
  • 發(fā)布時間:2023-06-28 13:14

  口服給藥具有較高的患者依從性,但生物利用度和可控性較低。新興的微流體(microfluidics)衍生的微載體(microcarriers)如雨后春筍般涌現(xiàn),希望減輕這些障礙。本期藥物遞送,一同回顧近年來微流體微載體在口服給藥中的應用研究進展,簡要介紹基于層流(laminar flow)和液滴(droplets)的微流控制微載體的制備,重點介紹了微流體衍生微載體在胃、小腸和結(jié)腸口服給藥中的應用,并且討論微流體衍生微粒在口服給藥中所面臨的挑戰(zhàn)和前景。希望幫助讀者跟蹤該領(lǐng)域的研究前沿,尋找微流體衍生微載體的未來發(fā)展方向。

  口服給藥由于具有成本效益、方便性和較高的患者依從性,一直是藥物給藥的首選方式,復雜的胃腸道環(huán)境造成口服給藥與良好的生物利用度和可控性之間的差距。能夠根據(jù)需要攜帶和釋放貨物的微載體被確定為有希望的候選者,以提高口服給藥的生物利用度和可控性。迄今為止,已經(jīng)利用不同的技術(shù)來制造具有不同功能的設計微載體,以滿足不同的要求。其中,微流體技術(shù)之所以突出,是因為它能夠制造具有單分散性和均勻性的微載體。此外,精確的流動控制賦予微流體在微載體的結(jié)構(gòu)和組件設計中無限的可能性?;谖⒘黧w技術(shù),已經(jīng)提出了不同結(jié)構(gòu)和不同功能的多種微載體用于口服給藥。通過精心設計,這些微流體衍生的微??梢栽鰪娚锢枚群涂煽匦?,在口服給藥領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

  用于制造微載體的微流體

  微流體技術(shù)具有在微通道中精確操作流體的特性,已經(jīng)成為一種顯著的跨學科粒子生成技術(shù)。流體通過可測量和穩(wěn)定的驅(qū)動力引入微通道。在微流控芯片中,流體是微尺度的,與宏觀流體的行為不同,顯示出顯著的表面效應,有效的傳質(zhì)傳熱和主要粘性效應的優(yōu)勢。得益于這些特性,多相能夠很好地共存和相互作用,從而使流體能夠以理想的方式操縱。具體而言,微流體中的兩種主要流體行為是層流和液滴,它們分別是由于低雷諾數(shù)和多重流體的動力學造成的。此外,通過對微通道的特殊設計,可以使用微流體來滿足各種要求。在這種情況下,微流體在制造微載體方面顯示出巨大的潛力,因為它能夠通過通道設計和相材料選項在各種結(jié)構(gòu)和組件中創(chuàng)建微載體。此外,得益于其精確的流體控制,微載體可以產(chǎn)生良好的單分散性。此外,貨物可以通過簡單地將它們混合到相中來裝載?;谶@些特點,微流體及其衍生技術(shù)已成為微載體制造的理想平臺。

  層流是一種穩(wěn)定的流動狀態(tài),在這種狀態(tài)下,周圍流體之間沒有觀察到宏觀混合,作為制造微載體的突出模板。層流流動的形成是由于微通道中雷諾數(shù)較低所致。根據(jù)雷諾數(shù)的定義,雷諾數(shù)與流體密度、流速、流道尺寸呈正相關(guān),與粘度呈負相關(guān)。由于微通道使流體收縮到微尺度,流體表現(xiàn)出由低雷諾數(shù)引起的層流流動行為。因此,即使它們是可混溶的,多相也能保持其特有的流動模式,并且分子擴散只發(fā)生在相連接的界面。利用這些特性,層流在制備微載體方面顯示出巨大的潛力。通常,對于微載體的制造,層流流動的相通常是光固化材料,并在流動光刻的幫助下聚合。值得注意的是,貨物可以很容易地裝載到微型載體,只需將它們混合成相。值得一提的是,可以通過設計相來制備具有不同組分的微載體。此外,通過調(diào)整流動光刻圖形和微通道的幾何形狀,可以獲得具有不同結(jié)構(gòu)的微載流子。例如有研究人員利用流動光刻技術(shù)制備了一種多室微載體。具體地說,通過不同的光掩模,在微流控通道內(nèi)光交聯(lián)幾種刺激響應性聚合物,獲得了不同形態(tài)的多室微載體。他們已經(jīng)證明,微流體中穩(wěn)定的層流流動為生產(chǎn)微載體提供了候選者。

  液滴是微流體的另一種主要流動行為,也是制造微載體的理想選擇。液滴可以通過被動方式或主動方式在微流體中產(chǎn)生。在主動方式下,液滴的產(chǎn)生依賴于外部驅(qū)動,如熱力、磁力和電力。在這種情況下,外部能量可以使界面變形,擠壓變形的流體產(chǎn)生液滴。在被動的方式下,液滴的產(chǎn)生歸因于界面的不穩(wěn)定性。在這種情況下,為了產(chǎn)生單乳液液滴,兩個不相容的相被安排在一個結(jié)點處相遇。分散相被連續(xù)相變形并切割成單分散的液滴。具體地說,在連續(xù)相的影響下,分散相的速度梯度產(chǎn)生,導致流體不穩(wěn)定。更具體地說,流體不穩(wěn)定性來源于粘性力、剪切力和界面張力的相互作用。液滴的產(chǎn)生與許多因素有關(guān),包括幾何特征、流動條件和流體性質(zhì),這使得機理復雜化。液滴的被動生成方式主要有兩種。在涉及流動聚焦、共流和橫流的微流體幾何學中,粘性剪切力主導著液滴的形成。而在膜乳化、階梯乳化和微通道乳化過程中,通道限制的變化是液滴產(chǎn)生的關(guān)鍵。值得注意的是,液滴的幾何形狀和大小在微流體中是可控的,這可以通過調(diào)整相速度和微流體幾何形狀等參數(shù)來實現(xiàn)。

  液滴的多樣性增加了微載體的設計空間。值得注意的是,可以通過精心設計微流體幾何形狀和微通道來產(chǎn)生具有理想形態(tài),組分和特征的液滴。例如,利用四個毛細管作為進口可以產(chǎn)生含有多組分的液滴。不同組分在交界處聚集,然后通過連續(xù)流動切割成液滴。此外,通過多級乳化可以實現(xiàn)將較小的液滴包裹在較大液滴中的雙乳液液滴。通常,通過在一個芯片中集成兩個液滴產(chǎn)生單元,在第一個單元中包含形成的液滴的連續(xù)相可以在第二個單元中被第三個相破碎成雙乳液液滴。有趣的是,通過調(diào)整流速,可以精確地控制較大液滴中較小液滴的數(shù)量和大小。通過增加液滴產(chǎn)生裝置,制備多乳液液滴是可行的。總之,微流控芯片的設計和流動參數(shù)的設置對于產(chǎn)生具有理想形貌、組分和特征的液滴起著重要作用。通過光交聯(lián)、自組裝、離子交聯(lián)等不同的固化方法,可以制備出不同結(jié)構(gòu)和組分的微載體,以滿足不同的臨床要求。得益于強大的流體可操縱性,微流體已成為前沿作為一種獨特的工具,以產(chǎn)生微載體。

  微流體衍生的口服微載體

  得益于強大的流體可操縱性,微流體已成為前沿作為一種獨特的工具,以產(chǎn)生微載體。這些微流體衍生的微載體在組織工程,生物傳感和藥物遞送等生物醫(yī)學領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。特別是微流體在結(jié)構(gòu)和功能上的無限設計空間,使微載體克服了復雜的胃腸道障礙,為口服輸送開辟了新的途徑。在過去的幾十年里,科學家們致力于調(diào)整微流體衍生的口服微載體。正常情況下,口服給藥在吞食后,會先經(jīng)過食道,然后進入胃部。如果它們或其中的一部分不能被胃粘膜吸收,貨物將繼續(xù)通過胃腸蠕動進入腸道,以便進一步吸收。由于胃腸道環(huán)境復雜,直接暴露貨物的生物利用度和可控性一直較差。值得注意的是,惡劣的復雜環(huán)境對于設計微載體來說是一個挑戰(zhàn),也是一個機遇。

  微流體衍生的胃內(nèi)運送貨物的微載體

  給藥后,藥物首先進入食道。由于食管的垂直結(jié)構(gòu)和厚的鱗狀上皮,藥物被輸送到胃中,幾乎沒有吸附。胃主要研究消化,包括酶降解、機械力和酸性 pH 值的綜合作用。體積大、酸性高、胃粘液厚是藥物吸附的關(guān)鍵瓶頸。另外,胃腸蠕動使藥物從胃到腸排空,導致藥物停留時間短,也阻礙了藥物在胃中的吸附。為了克服這些局限性,研究人員一直致力于開發(fā)各種微載體。例如,受到“ Cheerios 效應”的啟發(fā),有研究人員使用靜電驅(qū)動的微流體來產(chǎn)生空心微載體作為胃中的新型藥物載體。這些空心微載體由海藻酸鹽水凝膠殼和空心內(nèi)部氣核組成,它們是由靜電驅(qū)動的微流體瞬間離子交聯(lián)復合液滴而成。利用空心結(jié)構(gòu),這些微泡能夠漂浮在胃液表面,由于浮力。此外,由于胃壁是親水的,這些氣泡可以移動并粘附在胃壁,因為毛細血管。利用這些優(yōu)點,這些微泡作為理想的載體藥物遞送胃,因為它們的行為賦予它們長期保留在胃中的時間。與傳統(tǒng)固體載體相比,載藥微泡具有更長的釋放時間,提高了藥物的吸收效率。為了證明這個概念,在氣泡中加入了地塞米松用于治療紅斑性狼瘡。研究結(jié)果顯示,這些微泡可在胃內(nèi)停留超過24 小時,對治療效果紅斑性狼瘡有良好的作用,顯示這些微泡在口服給藥方面有很大的潛力??傊?,惡劣的胃部環(huán)境對于藥物輸送來說是一個挑戰(zhàn)也是一個機遇。微流體技術(shù)具有無限的微載體設計空間,為微載體的設計提供了一個強有力的平臺。

  用于腸內(nèi)貨物運輸?shù)奈⒘黧w衍生微載體

  隨著胃腸蠕動,不能在胃中降解的貨物將進入腸道進一步吸附。腸道從胃幽門開始,在肛門結(jié)束,肛門是腸胃道系統(tǒng)最長的部分,為貨物吸收提供了大面積的空間。腸道的生理環(huán)境各不相同,這為設計有針對性的貨物運輸系統(tǒng)提供了有價值的參考。與胃中的低 pH 值相反,腸道不是強酸性的。胃和腸中的酸度差異已被用來開發(fā)目標貨物運輸系統(tǒng)。一般而言,pH 響應材料被用作外殼來封裝載體,以防止載體受到胃內(nèi)惡劣環(huán)境的影響。這些 pH 敏感的物質(zhì)可以在腸道的目標部位降解以釋放貨物。事實上,靶向遞送是在所需的 pH 環(huán)境下觸發(fā) pH 響應性材料降解的過程。值得注意的是,殼的降解機制取決于 pH 響應材料的性能和比例。微流體技術(shù)提供了一個靈活的平臺,用于生成 pH 敏感材料的微載體。在這里,我們將介紹一些成功的例子,微流體衍生的微載體的目標口服貨物運輸在小腸和結(jié)腸。

  口服微載體技術(shù)的展望

  微流體由于其特有的流動行為、強大的流體操縱性和柔韌性,被認為是制備高負載效率、高通量和顯著單分散性微載體的有希望的候選材料。以微流控技術(shù)為基礎(chǔ),設計了多種口服微載體。這些微流體衍生的微載體能夠高效率地進行貨物運輸,并實現(xiàn)貨物的高生物利用度,從而最終提高了治療效果。總的來說,微流體衍生的微載體已經(jīng)開創(chuàng)了口服給藥的新紀元。然而,這些微流體衍生的口腔微載體從學術(shù)研究到臨床應用的轉(zhuǎn)化仍然受到一些限制。例如,微流體衍生微載體的制備涉及多個過程,包括乳化、封裝和固化,這可能會影響貨物的穩(wěn)定性或生物活性。此外,微流體固化方法在口服給藥中的安全性仍存在爭議。此外,腸粘膜對微型載體的生物相容性和可降解性設定了更嚴格的標準。此外,臨床應用需要大規(guī)模生產(chǎn)微載體,這對微尺寸的微流控設備是一個挑戰(zhàn)。

  我們應該繼續(xù)探索微流體的潛力,發(fā)展更多的微流體幾何結(jié)構(gòu)和功能,以促進各種微載體的大規(guī)模制造。同時,微流體技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合有望推動微流體衍生微載體的發(fā)展。此外,我們應該通過優(yōu)化工藝和材料選擇,致力于開發(fā)對貨物活動損害最小的微流體衍生微載體。由于腸粘膜的結(jié)構(gòu)復雜,表面不規(guī)則,需要具有各向異性和多功能性的微載體,因為它們可以促進微載體和微束的相互作用,延長保留時間,從而提高傳遞效率。新藥物、生物活性載體、生物相容性和可降解材料的開發(fā)也可以促進微流體衍生的口服微載體的發(fā)展。I

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