摘要脂质纳米颗粒Lipid Nanoparticles, LNPs作为新一代药物递送载体在抗癌药物、mRNA 疫苗等领域展现出不可替代的优势。传统批量混合法制备 LNPs 存在粒径分布宽、重现性差等问题难以满足生物医学对载体均一性的严苛需求。本文以点成MCS开发的人字形混合芯片 Fluidic 1460为核心系统阐述其设计原理、实验方案及 LNPs 尺寸控制策略。结果表明该芯片通过优化通道几何结构、流速参数及溶液组成可实现 50~200 nm 高单分散性 LNPs 的可控制备多分散指数 PDI0.2且批间差异小、操作自动化程度高为 LNPs 的规模化、精准化合成提供了可靠技术方案。1 引言1.1 LNP 的背景脂质纳米颗粒LNPs是一类由脂质分子自组装形成的纳米级囊泡结构核心功能是包载疏水性或亲水性小分子药物、核酸mRNA/siRNA等活性成分并通过 “靶向递送 - 细胞内吞 - 药物释放” 的链路解决药物溶解度低、生物利用度差、脱靶毒性高等关键问题 [1]。其核心优势体现在三方面生物相容性优异主要成分结构脂质、胆固醇、PEG 修饰脂质等多源于天然或可降解材料体内代谢安全性高递送效率可控通过调节脂质组成如离子化脂质比例可精准调控 LNPs 与细胞的结合能力及内体逃逸效率应用场景广泛从静脉注射抗癌药物到黏膜递送疫苗LNPs 可适配多种给药途径已在新冠 mRNA 疫苗如辉瑞 / BioNTech 疫苗中实现临床转化 [2]。然而LNPs 的性能高度依赖其粒径及均一性粒径过大会导致体内清除速率加快过小则易发生非特异性分布而宽粒径分布会直接导致批次间药效差异成为制约其产业化的关键瓶颈。图1 LNP的结构1.2 传统制备技术的局限与微流控技术的突破传统 LNPs 合成以批量混合法为主将大量有机相脂质乙醇溶液与水相缓冲液快速搅拌混合通过溶剂扩散引发脂质自组装。该方法的缺陷显著混合过程受搅拌速率、容器体积等因素影响难以实现两相均一接触导致粒径分布范围宽通常 50 nm批次间操作参数难以严格复刻重现性差规模化生产时易出现局部浓度不均引发颗粒团聚。微流控技术的出现为解决上述问题提供了新思路。其核心原理是在微米级通道内精准控制流体流动通过结构化设计如人字形、鱼骨形混合单元实现两相的快速、均一混合从而调控 LNPs 的成核与生长过程。其中点成 Fluidic 1460 凭借 “多通道可选、粒径可控、操作便捷” 的特点成为 LNPs 微流控制备的代表性芯片。2 点成人字形混合芯片 Fluidic 1460 的工作原理LNPs 的微流控制备本质是有机相-水相的精准传质过程点成Fluidic 1460 芯片通过以下设计实现高效混1.流体驱动通过压力驱动泵如 ELVEFLOW OB1 流量控制器提供无脉动流确保有机相脂质乙醇溶液与水相缓冲液以稳定流速进入芯片入口2.结构化混合通道内的脊状人字形微结构打破流体层流状态迫使两相产生横向对流与剪切实现 “毫秒级” 均一混合避免局部脂质浓度过高导致的团聚3.自组装成粒混合后有机相溶剂乙醇快速扩散至水相脂质分子因溶解度骤降而核化Nucleating并逐步生长Growing为稳定的 LNPs最终从出口收集。该过程全程自动化控制混合效率远高于传统批量法是保证 LNPs 均一性的核心前提。图2 LNPs 形成阶段示意图3 LNPs 微流控制备实验方案3.1 实验材料与设备微流控芯片人字形混合器芯片 Fluidic 1460流体控制系统Elveflow OB1 压力驱动泵、Elveflow流量传感器辅助配件Mini Luer连接器、PEEK毛细管1/32 英寸ID 0.50 mm、12~14 kDa MWCO 透析膜检测设备动态光散射仪DLS用于粒径与 PDI 测定、倒置显微镜观察颗粒形貌3.2 试剂配方脂质储备液10 mM称取 7.9 mg 二硬脂酰磷脂酰胆碱DSPC、19.3 mg 胆固醇、25.8 mg 1,2 - 二油酰基 - 3 - 三甲基铵丙烷DOTAP、7.5 mg 1,2 - 二肉豆蔻酰 - rac - 甘油 - 3 - 甲氧基聚乙二醇 - 2000DMG-PEG2000溶于 10 mL 无水乙醇超声至完全溶解水相缓冲液10 mM 柠檬酸盐pH 6.01.213 g 二水合柠檬酸钠 168 mg 柠檬酸溶于 40 mL 超纯水用 1 M NaOH/HCl 调节 pH 至 6.0定容至 50 mL稀释溶剂无水乙醇分析纯、超纯水电阻率 18.2 MΩ・cm3.3芯片连接与系统调试通过 Mini Luer 连接器将芯片与预充好的管路对接确保接口无泄漏启动 OB1 流量控制器设置初始压力 500 mbar待芯片通道完全充满液体出口有稳定液滴流出后切换至 “流速控制模式”设定基础流速参数水相流速 1000 μL/min脂质相流速 300 μL/min对应 FRR3.3:1TFR1300 μL/min运行 5 min 使系统稳定。图3 实验装置示意图3.4 LNPs 制备与纯化收集用无菌离心管收集芯片出口流出的 LNPs 溶液纯化将收集液转移至透析袋12~14 kDa MWCO用 PBS 缓冲液透析 4 h每 1 h 更换一次缓冲液去除残留乙醇与游离脂质表征用 DLS 测定纯化后 LNPs 的粒径、PDI用显微镜观察颗粒分散性4 LNPs 粒径控制策略与应用效果4.1 关键影响因素与调控规律LNPs 的粒径50~200 nm主要受芯片几何结构、流速参数等方面调控具体规律如下1. 芯片几何结构通道结构 A深度 200 μm、宽度 600 μm适用于制备 100~200 nm LNPs通道结构 B深度 100 μm、宽度 400 μm流体剪切力更强可制备 50~100 nm 小粒径 LNPs。2. 流速参数流量比FRR水相 / 有机相FRR 越高水相对有机相的稀释速率越快脂质核化尺寸越小如 FRR10:1 时粒径比 FRR2:1 小 30%~40%总流量TFR水相 有机相TFR 提升可缩短混合时间减少颗粒生长窗口TFR 从 0.5 mL/min 增至 2 mL/min 时粒径可降低 20~50 nm结构 A 条件下。图4 结构A中TFR和 FRR 的函数关系纳米颗粒大小。PDI对粒径分布的描述图5 纳米颗粒尺寸与芯片结构的函数关系通过PDI描述尺寸分布5 操作技巧与注意事项5.1 避免气泡干扰连接芯片前需将管路从储液瓶到芯片入口完全充满液体可通过手动推注排除气泡减少气泡对混合流场的破坏若实验中出现气泡可暂停泵并通入乙醇冲洗通道。5.2 减少颗粒吸附LNPs 易吸附于疏水表面建议优先选择 PC 材质芯片疏水性低于 Zeonor若吸附严重可在水相中添加 0.01% Tween-80表面活性剂或对芯片通道进行亲水性涂层如 PEG 修饰。5.3 防止系统泄漏接口泄漏会导致流速波动需选用 TPE 材质的 Mini Luer 连接器并确保管路与芯片接口紧密对接实验前用乙醇压力测试500 mbar10 min确认无泄漏后再进行正式实验。6 结论本文证实点成 Fluidic 1460 通过微流控结构化混合设计解决了传统 LNPs 制备的均一性与重现性难题可实现 50~200 nm 高单分散性 LNPs 的精准合成。该技术具有操作自动化、参数可控性强、批间稳定性好等优势不仅适用于实验室规模的 LNPs 研发还可通过多通道并行设计拓展至中试生产。参考文献[1] Sahin U, Karikó K. mRNA-based therapeutics: developing a new class of drugs[J]. Nat Rev Drug Discov, 2020, 19(10): 631-648.[2] Zhang Y, et al. Microfluidic synthesis of lipid nanoparticles for mRNA delivery[J]. Lab Chip, 2021, 21(12): 2336-2350.微流控实验室解决方案 - 点成生物https://dichbio.com/solutions/microfluidic-laboratory-solutions/