Development of polymeric nanoparticles by microfluidic technologies as functional drug delivery devices

Abstract

Nanoparticles (NPs) are entities with dimensions ranging from 1 and 100 nanometers (nm) in size. As a result of their narrow dimension, NPs exhibit a large surface area-to-volume ratio compared to bulk material, which lead to improved properties. Indeed, NPs have been widely explored in different research fields, demonstrating a strong potential in nanomedicine as drug delivery systems. However, their performance is strictly related to their physicochemical characteristics. Among the different parameters that can be tuned in the resulting NPs, the size stands out for its key role in determining NPs fate, biodistribution, cell interaction and resulting biological effects. However, the ability to produce NPs with precise and defined sizes remains a challenge for the most common and traditional synthesis techniques. Polymeric NPs are mainly synthesized through the nanoprecipitation process. This reaction leads to the production of NPs through the nucleation of the individual polymer chains until their growth into the final entities. During this process, one of the main factors that affects the resulting product size is the mixing of the organic and the aqueous phase. Indeed, the mixing guides the diffusion process between the two miscible phases and, consequently, the formation of NPs. To achieve high mixing performances, the work herein presented leverages microfluidic technology to obtain NPs with a defined size. Indeed, microfluidics allow to investigate the behavior of fluids flowing through microscale channels and can be efficiently applied to NPs production. At first, we assessed the impact of several experimental parameters (polymer concentration, flow rates, and flow rate ratio between the aqueous and organic solutions) on the resulting NPs features, in particular their size. Then, three sizes of interest were selected (30, 50 and 70 nm) to investigate the role of the NPs size on drug delivery and biological effects. Additionally, it was explored the NPs size influence on their ability for biological barriers crossing, as well as cellular internalization and trafficking. The employed micromixer also revealed being a powerful platform for the handling of high molecular weight polymers. Indeed, the synthesis of chitosan-hyaluronic acid NPs was successfully carried out by the microfluidic chip, leading to smaller NPs compared to the conventional method (dropwise). The data herein reported indicates that the NPs size can have a significant impact in their pharmacokinetics and cells response, suggesting that the precise control of NPs features can tailor the delivery of bioactive agents and enhance their biological efficacy.

As nanopartículas (NPs) são estruturas com dimensões entre 1 e 100 nanómetros (nm). Devido à sua dimensão, as NPs exibem uma grande relação área de superfície-volume, o que melhora as suas propriedades para diferentes aplicações. As NPs têm sido exploradas em diferentes áreas de investigação, demonstrando um forte potencial na nanomedicina como sistemas de libertação de fármacos. O desempenho das NPs está estritamente relacionado com as suas características físico químicas. Entre as diferentes características das NPs, o tamanho tem importantes implicações na biodistribuição, interação celular e consequentes efeitos biológicos. Porém, a capacidade de produzir NPs com tamanhos precisos e definidos continua a ser um desafio para as técnicas de síntese atuais. As NPs poliméricas são sintetizadas principalmente através do processo de nanoprecipitação. Neste processo, as NPs começam a formar-se através da nucleação das cadeias poliméricas individuais, até atingir o seu tamanho final. Durante este processo, um dos principais fatores que afetam o tamanho das NPs é a eficiência da mistura da fase orgânica com a aquosa. De facto, a mistura guia o processo de difusão entre as duas fases miscíveis e, consequentemente, a formação das NPs. Para alcançar altas performances de mistura, neste trabalho aproveitou-se a tecnologia de microfluídica para obter NPs com um tamanho definido. A tecnologia de microfluídica permite manipular o comportamento de fluidos em canais com geometria à microescala, e pode ser aplicada de forma eficiente na produção de NPs. Primeiramente, avaliou-se o impacto de vários parâmetros experimentais (concentração de polímero, fluxos e rácio de fluxos entre a solução aquosa e orgânica) nas características das NPs, nomeadamente no seu tamanho. Seguidamente, foram selecionados três tamanhos (30, 50 e 70 nm) para estudar diferentes questões, nomeadamente, o papel do tamanho das NPs na entrega de fármacos e consequentemente os seus efeitos biológicos. A influência do tamanho das NPs na capacidade destas atravessarem barreiras biológicas, direcionar vias de internalização, e localização intracelular, foi também estudada. O micro-misturador utilizado revelou ser uma poderosa plataforma para a manipulação de polímeros de elevado peso molecular. A síntese de NPs de quitosano-ácido hialurónico foi alcançada com sucesso pelo chip, levando a NPs menores em comparação com o método tradicional (adição gota a gota). Os resultados obtidos indicam que o tamanho das NPs pode ter um impacto significativo na farmacocinética e na resposta celular, sugerindo que o controle preciso das características das NPs pode permitir ajustar a entrega de agentes ativos e aumentar sua eficácia biológica.