Microfluidics as nanoassemblers of soft self-assembled nanocarriers for drug delivery

Abstract

Cubossomas constituem 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 feitos com microfluídica são geralmente preparados 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. Um fraco controlo experimental à micro e nano-escala, limita a manipulação das propriedades das partículas e resulta em cubossomas com amplas distribuições de tamanho. Para contrariar isto, 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. Para a formação dos cubossomas, dois sistemas lipídicos, conhecidos por formarem fases cúbicas bicontínuas, foram utilizados: monoleína e fitantriol. Os canais à microescala usados nos dispositivos de microfluídica fazem com que o regime de fluxo seja laminar e reforce o controlo experimental. Uma solução de lípido-etanol é inserida pela entrada central, onde será de seguida comprimida por dois fluidos laterais de água com estabilizante. À medida que a solução de lípido-etanol é comprimida, 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. Resveratrol também foi adicionado aos dois sistemas lipídicos com o propósito de ser encapsulado pelos cubossomas. Os cubossomas que continham resveratrol foram incubados numa solução de PBS e a libertação do resveratrol foi avaliada.

Cubosomes constitute lipid bicontinuous cubic phases dispersed in water. An interior continuous matrix of lipid bilayers arranged in a 3D cubic symmetry lattice divides two independent continuous networks of water channels in these particles. Due to this coexistence of lipidic and aqueous domains, cubosomes make promising candidates for the encapsulation and delivery of both hydrophobic and hydrophilic drugs. Cubosomes are commonly made using solvent-shifting techniques, in which the lipid is first dissolved in a water-miscible solvent (typically ethanol), then combined with water and a polymer stabilizer. Weak experimental control at the micron and nanoscales (e.g., concentration and heat gradient control) limits fine tuning of particle properties, resulting in cubosomes with large size distributions. In this work, the solvent-shifting method is applied to the phytantriol-ethanol-water system and monoolein-ethanol-water system to form cubosomes, which are then analyzed and compared. A microfluidic system is used for this, which is capable of mixing fluids at the micron scale in a rapid and regulated manner, resulting in cubosomes of tuneable size and low polydispersity. Microfluidics' micron-sized channels result in laminar flow regimes and improved experimental control. Hydrodynamic focusing can be used in this regime to shorten the distance that solvent molecules must migrate to mix, reducing mixing time. A central inlet flows an ethanol-lipid solution, which is squeezed by two side streams of water with stabilizer. As the lipid-ethanol solution narrows, diffusion allows ethanol and water to combine in a regulated manner, resulting in cubosome formation. We can control the width of the hydrodynamic focusing by adjusting the flow rate ratio between the two solutions, which has a uniform effect on assembly time. We were able to tune the size of the cubosome nanoparticles by adjusting the flow rate ratio in this way, achieving smaller sizes while increasing the degree of the hydrodynamic focusing (i.e. increasing the flow rate ratio). The composition of the initial solutions was also found to have an effect on the final particle size. Resveratrol was also added to both lipidic systems with the purpose of being encapsulated by the cubosomes. The resveratrol-loaded cubosomes were then incubated in a solution of PBS and the release of the resveratrol was evaluated.