La microscopie et les images bidimensionnelles du mécanisme de formation de l'injonction de gouttelettes de microgel CS + DOX, (a) stade de latence, (b) stade de remplissage, (c) stade de striction, (d) détachement. Les vitesses de phase CS + DOX et huile végétale ont été ajustées à 3,3 et 11,1 mm/s. La concentration de CS et de DOX est de 0,2 % et 13,75 (µg/ml), respectivement. Crédit :Rapports scientifiques (2022). DOI :10.1038/s41598-022-12031-9
La microfluidique de gouttelettes fournit une plate-forme robuste pour synthétiser et fonctionnaliser les micro et nanoparticules dans une gamme d'applications, y compris l'administration de médicaments, le dépistage, les applications de laboratoire sur puce et d'organe sur puce, dans l'ingénierie chimique et biomédicale. Le chitosane est un biomatériau adapté à diverses applications biomédicales, y compris des bioactivités antibactériennes aux propriétés immunostimulantes et anticancéreuses. Dans un nouveau rapport désormais publié dans Rapports scientifiques , Omid Sartipzadeh et une équipe de recherche interdisciplinaire en nanotechnologie médicale, biomatériaux et ingénierie tissulaire, à Téhéran, Iran, ont décrit le rôle des gouttelettes de chitosane dans une puce microfluidique. Les résultats ont indiqué comment différentes tailles et géométries des gouttelettes de chitosane pouvaient être établies en faisant varier les paramètres à plusieurs fins, notamment l'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire et l'encapsulation cellulaire. L'équipe a mené une étude expérimentale qui était en accord avec les résultats de la simulation pour confirmer les résultats.
Ingénierie tissulaire et microfluidique
Les micro et nanoparticules monodisperses ont suscité une grande attention dans les instruments de laboratoire sur puce et les biocapteurs pour une gamme d'applications en ingénierie tissulaire. Les scientifiques des matériaux et les bioingénieurs ont fait de nombreuses tentatives pour générer des micro et nanoparticules uniformes à la demande. Cependant, les tensions interfaciales entre les phases ont rendu difficile la fourniture de micro et nanoparticules appropriées de haute qualité. Étant donné que les techniques typiques sont coûteuses, complexes et chronophages, les chercheurs essaient de générer des micro et nanoparticules monodisperses avec une morphologie, des formes et des tailles à la demande.
Dans ce travail, Sartipzadeh et al ont étudié les taux de génération de gouttelettes microfluidiques, y compris la vitesse d'écoulement via le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics pour développer des puces microfluidiques pratiques pour les doubles émulsions chitosan-huile-chitosan. Ils ont d'abord expérimenté un modèle de dynamique des fluides computationnelle pour comprendre la configuration et les caractéristiques des gouttelettes afin de créer un microcanal axé sur le flux. À l'aide des simulations, ils ont obtenu une approche pour mieux comprendre le processus complexe sur puce. Les résultats ont permis à l'équipe de combiner deux fluides non miscibles et leur vitesse pour examiner la formation de gouttelettes, le diamètre des gouttelettes et leur taux de génération.
Le modèle du MFFD appliqué dans les simulations :maillages et situations aux limites spécifiés pour la génératrice de gouttelettes microfluidiques dans le modèle à deux dimensions. Crédit :Rapports scientifiques (2022). DOI :10.1038/s41598-022-12031-9
Sartipzadeh et al ont développé les méthodes expérimentales en vue des résultats de la simulation. Ils ont étudié les propriétés physiques et chimiques du chitosan et de la doxorubicine; un type d'anthracycline/médicament chimiothérapeutique, par rapport à la taille des gouttelettes et au taux de création de gouttelettes. L'équipe a déterminé le modèle et la vitesse des composants à l'aide d'un dispositif de focalisation de flux microfluidique (MFFD) pour déterminer la taille des gouttelettes et les taux de production. Sur la base des résultats, l'équipe a mis au point une méthode complète pour créer des gouttelettes microfluidiques. Les MFFD maintenaient des conduits d'entrée et de sortie pour réguler les flux de fluides dispersés et non miscibles entrant en collision les uns avec les autres à une intersection. Les scientifiques ont noté comment les gouttelettes se dirigeaient en aval du conduit principal en fonction du gradient de pression et de la vitesse d'écoulement de l'installation pour former quatre niveaux d'écoulement. Les instantanés d'accompagnement des simulations illustraient la configuration des gouttelettes en tant que subordonnée du temps avec des concentrations variables de chitosane et de doxorubicine. Sartipzadeh et al ont conçu et développé le modèle de formation de flux microfluidique sur une plaquette de silicium en utilisant une lithographie douce, et ont coulé le moule du dispositif de focalisation de flux microfluidique avec du polydiméthylsiloxane. L'équipe a collé le moule de motifs de puces sur une lame de verre via un plasma d'oxygène, puis a injecté les constituants dans la puce à l'aide de deux pompes pour examiner les mécanismes de production combinée de gouttelettes de microgel.
Dynamique de la formation des gouttelettes
Le CS (chitosane) avec une concentration de 0,2% et 13,75 mg de DOX (doxorubicine) par ml de solution de CS. Le microscope électronique à balayage (SEM) du résultat CS + DOX microgel gouttelette de résultat expérimental que le débit volumétrique de la phase CS + DOX était de 3,3 mm/s et le débit volumétrique de la phase huileuse était de 11,1 mm/s. Crédit :Rapports scientifiques (2022). DOI :10.1038/s41598-022-12031-9
L'équipe a exploré la dynamique de la formation de gouttelettes de liquide sous pression, où ils ont noté une augmentation significative de la pression, par rapport à la pression avant et après le processus. Le phénomène reposait sur la force de pression, la contrainte de cisaillement et la tension superficielle. Lorsque la pression et la contrainte de cisaillement étaient supérieures à la force de traction de surface, la gouttelette a commencé à s'épaissir et à s'amincir. De plus, l'équilibre des forces entre les paramètres de pression, de contrainte de cisaillement et de tension superficielle reposait sur les propriétés physiques des solutions d'intérêt. L'équipe a exploré la concentration des constituants, par rapport aux dimensions de la gouttelette, et a indiqué un équilibre entre la force de cisaillement et la tension interfaciale. Ils ont calculé le débit de liquide et son effet sur plusieurs applications, y compris les immunoessais en laboratoire sur puce, et ont calculé la taille des gouttelettes par rapport aux concentrations de constituants, y compris la fréquence de génération de gouttelettes et le nombre de gouttelettes formées dans l'étude. L'équipe a attribué les résultats à plusieurs paramètres de la plate-forme.
Preuve de concept :profils de libération du médicament de chimiothérapie doxorubicine
Sartipzadeh et al ont ensuite développé un mélange chitosan-doxorubicine avec différentes concentrations de chitosan mélangé avec une quantité spécifique de doxorubicine, un médicament chimiothérapeutique, pour comprendre la dépendance du diamètre des gouttelettes sur la viscosité. La concentration croissante de chitosane a conduit à une augmentation de sa viscosité dynamique pour produire des gouttelettes de diamètres variables. L'équipe a ensuite étudié la libération de doxorubicine à partir du chitosan en laboratoire, pour montrer comment le profil de libération du médicament suivait un schéma bidirectionnel, afin de mettre en évidence le rôle du chitosan en tant que microporteurs de systèmes d'administration semi-ciblés. Les scientifiques ont examiné les profils de libération de médicament à partir des microporteurs à deux températures et niveaux de pH différents, pour mettre en évidence la toxicité de la doxorubicine encapsulée sur les cellules cancéreuses par rapport au médicament libre. La présence du transporteur a rendu le processus de libération du médicament plus biocompatible pour les cellules saines, par rapport à la toxicité du médicament sous sa forme libre.
La procédure de la pente de pression au point P pendant la durée de la configuration des gouttelettes. Le point P décide du point situé à l'entrée de la gaine principale. Il répercute le développement du processus de formation des gouttelettes. Formation de gouttelettes en trois étapes :(I) Lag, (II) Filling et (III) Necking. La vitesse CS + DOX est stable à 3,3 mm/s, et la vitesse de l'huile végétale est égale à 11,1 mm/s. Crédit :Rapports scientifiques (2022). DOI :10.1038/s41598-022-12031-9
( a ) Comportement d'absorption cellulaire de DOX par la lignée cellulaire de cancer du sein MCF-7. ( b ) Comportement d'absorption cellulaire de CS-DOX par la lignée cellulaire de cancer du sein MCF-7. Le DAPI est utilisé pour colorer les noyaux des cellules. En raison de sa nature fluorescente, DOX fait virer au rouge le cytoplasme cellulaire sur l'imagerie fluorescente. Les images confirment l'absorption du médicament par les cellules. Crédit :Rapports scientifiques (2022). DOI :10.1038/s41598-022-12031-9
De cette façon, Omid Sartipzadeh et ses collègues ont développé un modèle informatique de dynamique des fluides pour comprendre le processus des dimensions biocompatibles des gouttelettes de chitosane et leur formation dans un microcanal axé sur le flux. Les résultats de la simulation ont mis en évidence une approche alternative pour atteindre les résultats expérimentaux attendus. Sur la base des études, l'équipe a souligné l'importance des microparticules de chitosane pour les applications d'administration de médicaments en biomédecine. L'excellente bioactivité, la biocompatibilité et la biodégradabilité ont rendu le matériau bien adapté à diverses applications dans un dispositif microfluidique, y compris le criblage de médicaments sur des plateformes de laboratoire sur puce et l'administration de médicaments dans des instruments d'organe sur puce, avec des cultures cellulaires 3D évaluer la toxicité des candidats-médicaments. L'équipe a mené une analyse de preuve de concept pour relever des défis importants en biomédecine et a mis en évidence le rôle des gouttelettes de chitosane en tant que microporteurs pour une thérapie pharmaceutique ciblée.
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