Los microfluidos de gotas proporcionan una plataforma robusta para sintetizar y funcionalizar micro y nanopartículas en una variedad de aplicaciones, incluidas aplicaciones de administración de fármacos, detección, laboratorio en un chip y órgano en un chip, en ingeniería química y biomédica. El quitosano es un biomaterial adecuado para diversas aplicaciones biomédicas, incluidas las bioactividades antibacterianas con propiedades inmunoestimulantes y anticancerígenas. En un nuevo informe publicado ahora en Scientific Reports , Omid Sartipzadeh y un equipo de investigación interdisciplinario en nanotecnología médica, biomateriales e ingeniería de tejidos, en Teherán, Irán, describieron el papel de las gotas de quitosano en un chip microfluídico. Los resultados indicaron cómo se podrían establecer diferentes tamaños y geometrías de las gotas de quitosano variando los parámetros para varios propósitos, incluida la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y la encapsulación celular. El equipo realizó un estudio experimental que estuvo de acuerdo con los resultados de la simulación para confirmar los resultados.

Ingeniería de tejidos y microfluídica

Las micropartículas y nanopartículas monodispersas han atraído una gran atención en los instrumentos de laboratorio en un chip y biosensores para una variedad de aplicaciones en la ingeniería de tejidos. Los científicos de materiales y los bioingenieros han hecho muchos intentos para generar micro y nanopartículas uniformes bajo demanda. Sin embargo, las tensiones interfaciales entre las fases han dificultado proporcionar micro y nanopartículas adecuadas de alta calidad. Dado que las técnicas típicas son costosas, complejas y requieren mucho tiempo, los investigadores intentan generar micro y nanopartículas monodispersas con morfología, formas y tamaños a pedido.

En este trabajo, Sartipzadeh et al investigaron las tasas de generación de gotas de microfluidos, incluida la velocidad del flujo a través del software simulador COMSOL Multiphysics, para desarrollar chips microfluídicos prácticos para emulsiones dobles de quitosano-aceite-quitosano. Primero experimentaron con un modelo de dinámica de fluidos computacional para comprender la configuración y las características de las gotas para crear un microcanal centrado en el flujo. Usando las simulaciones, obtuvieron un enfoque para lograr una mayor comprensión del complejo proceso en el chip. Los resultados permitieron al equipo combinar dos fluidos inmiscibles y su velocidad para examinar la formación de gotas, el diámetro de las gotas y su tasa de generación.

Sartipzadeh et al desarrollaron los métodos experimentales en vista de los resultados de la simulación. Investigaron las propiedades físicas y químicas del quitosano y la doxorrubicina; un tipo de medicamento de antraciclina/quimioterapia, en relación con el tamaño de las gotas y la tasa de creación de gotas. El equipo determinó el patrón y la velocidad de los componentes utilizando un dispositivo de enfoque de flujo de microfluidos (MFFD) para determinar el tamaño de las gotas y las tasas de producción. Según los resultados, el equipo logró un método completo para crear gotas de microfluidos. Los MFFD mantenían conductos de entrada y salida para regular las corrientes de fluidos dispersos e inmiscibles que chocaban entre sí en una intersección. Los científicos notaron cómo las gotas se dirigían aguas abajo del conducto principal en función del gradiente de presión y la velocidad del flujo de la configuración para formar cuatro niveles de flujo. Las instantáneas adjuntas de las simulaciones ilustraron la configuración de las gotas como un subordinado del tiempo con concentraciones variables de quitosano y doxorrubicina. Sartipzadeh et al diseñaron y desarrollaron el patrón de formación de flujo de microfluidos en una oblea de silicio mediante litografía blanda y moldearon el dispositivo de enfoque de flujo de microfluidos con polidimetilsiloxano. El equipo adhirió el molde de los patrones del chip a un portaobjetos mediante plasma de oxígeno y, a continuación, inyectó los componentes en el chip mediante dos bombas para examinar los mecanismos de producción combinada de gotas de microgel.

Dinámica de formación de gotas

El equipo exploró la dinámica de la formación de gotas de líquido dirigidas por la presión, donde notaron un aumento significativo en la presión, en comparación con la presión antes y después del proceso. El fenómeno se basó en la fuerza de la presión, el esfuerzo cortante y la tensión superficial. Cuando la presión y el esfuerzo cortante fueron mayores que la fuerza de tracción de la superficie, la gota comenzó a espesarse y adelgazarse. Además, el equilibrio de fuerzas entre los parámetros de presión, esfuerzo cortante y tensión superficial dependía de las propiedades físicas de las soluciones de interés. El equipo exploró la concentración de los constituyentes, en relación con las dimensiones de la gota, e indicó un equilibrio entre la fuerza de corte y la tensión interfacial. Calcularon el flujo de líquido y su efecto en varias aplicaciones, incluidos los inmunoensayos de laboratorio en chip, y calcularon el tamaño de las gotas en relación con las concentraciones de los constituyentes, incluida la frecuencia de generación de gotas y la cantidad de gotas formadas en el estudio. El equipo atribuyó los resultados a varios parámetros de la plataforma.

Prueba de concepto:Perfiles de liberación de fármacos del fármaco de quimioterapia doxorrubicina

Sartipzadeh et al luego desarrollaron una mezcla de quitosano y doxorrubicina con diferentes concentraciones de quitosano mezclado con una cantidad específica del fármaco de quimioterapia doxorrubicina, para comprender la dependencia del diámetro de las gotas con la viscosidad. La creciente concentración de quitosano condujo a un aumento de su viscosidad dinámica para producir gotas de diferentes diámetros. A continuación, el equipo investigó la liberación de doxorrubicina del quitosano en el laboratorio, para mostrar cómo el perfil de liberación del fármaco seguía un patrón bidireccional, para resaltar el papel del quitosano como microportadores de sistemas de administración semidirigidos. Los científicos examinaron los perfiles de liberación del fármaco de los microportadores a dos temperaturas y niveles de pH diferentes para resaltar la toxicidad de la doxorrubicina encapsulada en las células cancerosas en comparación con el fármaco libre. La presencia del portador hizo que el proceso de liberación del fármaco fuera más biocompatible para las células sanas, en comparación con la toxicidad del fármaco en su forma libre.

Perspectiva

De esta manera, Omid Sartipzadeh y sus colegas desarrollaron un modelo de dinámica de fluidos computacional para comprender el proceso de las dimensiones de las gotas de quitosano biocompatibles y la formación en un microcanal centrado en el flujo. Los resultados de la simulación destacaron un enfoque alternativo para alcanzar los resultados experimentales esperados. Con base en los estudios, el equipo enfatizó la importancia de las micropartículas de quitosano para las aplicaciones de administración de fármacos en biomedicina. La excelente bioactividad, biocompatibilidad y biodegradabilidad hicieron que el material fuera muy adecuado para diversas aplicaciones en un dispositivo de microfluidos, incluida la detección de fármacos en plataformas lab-on-a-chip y la administración de fármacos dentro de instrumentos organo-on-a-chip, con cultivos celulares en 3D. para evaluar la toxicidad de los candidatos a fármacos. El equipo llevó a cabo un análisis de prueba de concepto para abordar desafíos significativos en biomedicina y destacó el papel de las gotas de quitosano como microportadores para la terapia farmacéutica dirigida. + Explora más

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