Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/65059

TitleMicrofluidic methods for the controlled preparation of soft self-assembled nanocarriers for drug delivery
Author(s)Ferreira, Celso Joel Oliveira
Advisor(s)Silva, Bruno Fernando Brás da
Real Oliveira, M. Elisabete C.D.
KeywordsCubosome
Microfluidic
Solvent shifting
Solvent exchange
Hydrodynamic focusing
Mixing time
Size control
Self-assembly
Issue date2018
Abstract(s)Cubosomes are dispersions of lipid bicontinuous cubic phases in water. These particles consist of an interior continuous matrix of lipid bilayers arranged in a 3D lattice of cubic symmetry that separates two independent continuous networks of water channels. This coexistence of lipidic and aqueous domains makes cubosomes promising candidates for the encapsulation and delivery of both hydrophobic and hydrophilic drugs. Cubosomes are typically prepared either by fragmenting the cubic liquid crystal in excess water using high energy input (e.g. ultra-sonication), or using solvent-shifting approaches, in which the lipid is first dissolved in a water-miscible solvent (typically ethanol), and later mixed with water and polymer stabilizer. In both cases, poor experimental control at the micron- and nanoscales (e.g. poor control on concentration and heat gradients), limits the fine tuning of the particle properties and results in cubosomes with broad size distributions. In this work, we employ the solvent-shifting method to the monoolein-ethanol-water system and form cubosomes. For this, a microfluidic device capable of mixing the fluids in a rapid and controlled way at the micron-scale, and obtaining cubosomes of tuneable size and low polydispersity, is used. The micron-sized channels in microfluidics lead to laminar flow regimes and enhanced experimental control. In this regime, hydrodynamic focusing can be used to narrow down the length that solvent molecules have to travel to mix, thus decreasing the mixing time. An ethanol-lipid solution is flowed in a central inlet, which is squeezed by two side streams of water with stabilizer. As the lipid-ethanol solution narrows, ethanol and water are mixed in a controlled way by diffusion, leading to formation of cubosomes. By manipulating the flow rate ratio between the two solutions we manipulate the width in which the hydrodynamic focusing occurs, influencing the assembly time in a homogeneous way. This way, by manipulating the flow rate ratio, we were able to tune the size of the cubosome nanoparticles, achieving smaller sizes when increasing the extent of the hydrodynamic focusing (i.e. increasing the flow rate ratio). In addition, the final particle size was also found to be influenced by the composition of the initial solutions. At lipid concentrations above 1 wt% in the ethanolic solution, control over the final particle size is lost. Likewise, inclusion of dioctadecyldimethylammonium bromide (a cationic surfactant) into the formulation also led to large and size-uncontrolled particles. On the other hand, including 29% of water in the initial ethanolic solution leads to smaller particle sizes in the end, also in a controlled way also dependent on the flow rate ratio. In contrast, using a stabilizer to lipid ratio of 1:1 or 3:1 did not show a significant change in the final sizes obtained. Altogether, these results suggest that cubosome size is directly dependent on the exchange rate of solvent molecules until a critical water concentration that induces particle formation is achieved. By allowing a precise control over the mixing and exchange between the two solvents, microfluidics promises to be a promising approach to further tailor the structure and efficiency of drug delivery systems. Nanoparticle size is a key parameter in the carriage of pharmaceuticals. Controlling cubosome size is therefore a relevant step towards the design of new and more efficient formulations.
Cubossomas são dispersões lipídicas de fases cúbicas bicontínuas em água. Estas partículas possuem no seu interior uma matriz de bicamadas lipídicas arranjadas numa rede tridimensional contínua de simetria cúbica que separa duas redes continuas de canais de água. Tal coexistência de domínios lipídicos e aquosos faz dos cubossomas excelentes candidatos para a encapsulação e entrega de compostos hidrofóbicos e hidrofílicos. Os cubossomas são geralmente preparados quer por fragmentação da fase bicontínua cúbica em excesso de água ao introduzir uma grande quantidade de energia (como por exemplo ultra-sonicação), ou então por uma troca de solventes, no qual o lípido é primeiramente dissolvido num solvente miscível em água (tipicamente o etanol), e mais tarde dissolvido em água e um polímero estabilizante. Em ambos os casos, um fraco controlo experimental à micro e nano-escala (e.g. fraco controlo nos gradientes de concentração e temperatura), limita a manipulação das propriedades das partículas e resulta em cubossomas com amplas distribuições de tamanho. Neste trabalho, o método da troca de solventes é aplicado ao sistema monooleína-etanol-água para formar cubossomas. Para este fim, um dispositivo de microfluídica capaz de misturar os solventes rápida e controladamente à microescala, e obter cubossomas com tamanhos manipuláveis e baixa polidispersão, foi usado. Os canais à microescala usados nos dispositivos de microfluídica fazem com que o regime de fluxo seja laminar e reforce o controlo experimental. Neste regime, a focagem hidrodinâmica pode ser usada para diminuir a distância que as moléculas têm de atravessar para se misturarem, o que leva a uma diminuição no tempo de mistura. Uma solução de lípido-etanol é inserida pela entrada central, onde será de seguida espremida por dois fluidos laterais de água com estabilizante. À medida que a solução de lípido-etanol é espremida, o etanol e a água vão sendo misturados de uma forma controlada por difusão, o que leva à formação dos cubossomas. Ao manipular o rácio dos diferentes caudais entre as diferentes soluções, a largura à qual a focagem hidrodinâmica se dá é ajustada, influenciando o tempo de associação entre as moléculas lipídicas de forma homogénea. Desta forma, ao manipular o rácio dos caudais, foi possível manipular o tamanho dos cubossomas, atingindo menores tamanhos quando a extensão da focagem hidrodinâmica foi aumentada (aumentando o rácio dos caudais). Conjuntamente, também foi observado que a composição das soluções iniciais também influência o tamanho final das partículas. A concentrações superiores a 1 %(m/m) de lípido na solução de etanol, o controlo sobre o tamanho das partículas é reduzido. Assim como a inclusão do surfactante catiónico brometo de dioctadecil dimetil amónio (DODAB), que na formulação também gerou partículas de grandes tamanhos de forma descontrolada. Por outro lado, a inclusão de 29 %(m/m) de água na solução de lípido-etanol levou a que se formassem partículas com tamanhos reduzidos, também de uma forma controlada e dependente do rácio entre os caudais dos fluidos. A contrastar, quando utilizado um rácio de estabilizante para lípido de 1:1 ou 3:1, os tamanhos finais obtidos não demonstraram diferenças significativas entre ambos os rácios. Resumindo, estes resultados sugerem que o tamanho dos cubossomas está diretamente dependente do ritmo ao qual as moléculas de solvente vão sendo trocadas até atingirem uma concentração crítica de água que induz a formação das partículas. Ao permitir um controlo preciso sobre a mistura e troca entre ambos os solventes, as técnicas de microfluídica assumem-se como uma forma promissora de manipular a estrutura e aumentar a eficiência dos sistemas de entrega de fármacos. O tamanho das nanopartículas é um fator chave na entrega de fármacos e a possibilidade de controlar o tamanho dos cubossomas é, portanto, um passo na direção do desenvolvimento de novas e mais eficientes formulações.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Biophysics and Bionanosystems
URIhttp://hdl.handle.net/1822/65059
AccessEmbargoed access (2 Years)
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado

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