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11 Febbraio 2020

Come produrre microparticelle di PLGA monodisperse?

L’incapsulamento di farmaci in particelle polimeriche, come l’acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA), è una pratica che si è largamente diffusa negli ultimi 20 anni. I metodi più utilizzati fino ad oggi per la produzione di queste particelle utilizzano sistemi di batch convenzionali e risultano nella produzione di particelle di diametro variabile. La polidispersità può implicare una variabilità delle proprietà del prodotto attraverso il campione.
Al contrario, l’uso della tecnologia microfluidica consente la produzione di particelle monodisperse in un unico step, aumentando di fatto la resa di particelle con diametro specifico.

Il metodo microfluidico

Generalmente le microparticelle di PLGA vengono prodotte preparando un’emulsione di goccioline organiche (contenenti PLGA dissolto) in acqua (contente uno stabilizzatore). L’emulsione olio-in-acqua viene in seguito essicata per formare le microparticelle di acido poli(lattico-co-glicolico).
Questo processo può essere facilmente trasferito ad un sistema microfluidico. Un chip microfluidico può essere utilizzato per produrre goccioline di PLGA di diverse dimensioni in soluzioni di dicolorimetane (DCM). La dimensione delle goccioline può essere controllata variando la dimensione delle giunzioni microfluidiche del chip ovvero la sua geometria, cosi come le portate relative della fase organica (goccioline di PLGA) e della fase acquosa, come illustrato in Figura 1.

Figura 1: Immagini di goccioline di PLGA/DCM in acqua

Il chip microfluidico con ‘3D pore junction’ della Dolomite presenta una geometria unica: il foro ‘3D pore’ rappresentato da un’apertura nel canale impedisce alle goccioline che ne fuoriescono di entrare in contatto con le pareti del canale di vetro. Questo non solo garantisce una durata maggiore al chip ma rende anche più semplice la sua pulizia specialmente quando si lavora con polimeri appiccicosi come il PLGA.

Il processo di evaporazione

Una volta creata l’emulsione di PLGA, il solvente (DCM) diffonde fuori dalle goccioline all’interno della fase continua (acqua) per poi evaporare. Questo processo provoca la progressiva riduzione e l’indurimento delle goccioline in particelle solide di PLGA (Figura 2).

Figura 2: Il processo di evaporazione del solvente per formare le particelle polimeriche di PLGA

Durante il processo di produzione, le goccioline possono essere analizzate direttamente all’interno del chip microfluidico utilizzando un microscopio ottico (high-speed microscope) oppure fuori dal chip microfluidico raccogliendo su un vetrino il campione dal tubo di outlet del sistema: il solvente evapora velocemente causando la riduzione delle goccioline e l’aumento della concentrazione di PLGA, finché non evapora tutto il DCM per formare le microparticelle di PLGA.

Figura 3: Rappresentazione della fase di evaporazione del DCM, dalla gocciolina all’atmosfera, attraverso la fase continua (acqua)

Il processo di evaporazione avviene indirettamente perché le goccioline di DCM+polimero si depositano sul fondo dello strato di acqua, sul vetrino, e il DCM deve prima diffondere in acqua per poi evaporare. A causa della scarsa solubilità del DCM in acqua (~2.5%), il processo è graduale e più veloce ai bordi del campione, dove la distanza tra le goccioline e l’interfaccia aria/acqua è inferiore (figura 4). Il processo, anche se di velocità variabile a seconda della posizione delle goccioline porta alla formazione di particelle monodispersi, poiché provenienti da goccioline monodispersi.

sequenza

Figura 4: Sequenza di immagini di 30 secondi, mostrando il processo di evaporazione del solvente dalle goccioline contenente il polimero

La dimensione finale delle particelle può essere maggiore di quanto uno si aspetta rispetto al contenuto di PLGA iniziale. Questo accade perché la porosità delle particelle cresce con la velocità di evaporazione del solvente, che dipende dal rapporto tra area superficiale e volume. La dimensione delle particelle finali può essere ottimizzata variando la dimensione delle goccioline iniziali e la concentrazione di PLGA. Una gocciolina di 100 µm contenente il 5% di PLGA formerà approssimativamente una microparticella di dimensione 37 µm, mentre una gocciolina di 60 µm con il 0.5% di PLGA formerà una particella da 10 µm.
Il tempo necessario all’estrazione totale del DCM dipende da diversi fattori: il processo di evaporazione, il volume dei reagenti utilizzati, la concentrazione di PLGA nelle goccioline. Nell’esempio qui di seguito riportato, le particelle di PLGA sono raccolte su vetrino, l’estrazione del DCM avviene in 5-20 minuti. Nel caso di piccoli volumi (da 500 mg a 5 g di PLGA) il processo si conclude in 10-15 ore. La produzione su larga scala richiede estrattori specifici per solventi.

Fonte: How do I make PLGA microparticles? - Pavel Abdulkin - Head of business Development, Dolomite.

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