A microfluídica de gotículas fornece uma plataforma robusta para sintetizar e funcionalizar micro e nanopartículas em uma variedade de aplicações, incluindo entrega de medicamentos, triagem, aplicações de laboratório em um chip e órgão em um chip, em engenharia química e biomédica. A quitosana é um biomaterial adequado para diversas aplicações biomédicas, incluindo bioatividades antibacterianas com propriedades imunoestimulantes e anticancerígenas. Em um novo relatório agora publicado em Relatórios Científicos , Omid Sartipzadeh e uma equipe de pesquisa interdisciplinar em nanotecnologia médica, biomateriais e engenharia de tecidos, em Teerã, Irã, descreveram o papel das gotículas de quitosana em um chip microfluídico. Os resultados indicaram como diferentes tamanhos e geometrias das gotículas de quitosana podem ser estabelecidas variando os parâmetros para vários propósitos, incluindo entrega de drogas, engenharia de tecidos e encapsulamento de células. A equipe realizou um estudo experimental que concordou com os resultados da simulação para confirmar os resultados.
Engenharia de tecidos e microfluídica

Micro e nanopartículas monodispersas atraíram grande atenção em instrumentos lab-on-a-chip e biossensores para uma variedade de aplicações em engenharia de tecidos. Cientistas de materiais e bioengenheiros fizeram muitas tentativas para gerar micro e nanopartículas uniformes sob demanda. No entanto, as tensões interfaciais entre as fases dificultaram o fornecimento de micro e nanopartículas adequadas com alta qualidade. Como as técnicas típicas são caras, complexas e demoradas, os pesquisadores tentam gerar micro e nanopartículas monodispersas com morfologia, formas e tamanhos sob demanda.

Neste trabalho, Sartipzadeh et al investigaram as taxas de geração de gotículas microfluídicas, incluindo a velocidade de fluxo através do software simulador COMSOL Multiphysics para desenvolver chips microfluídicos práticos para emulsões duplas de quitosana-óleo-quitosana. Eles primeiro experimentaram um modelo de dinâmica de fluidos computacional para entender a configuração e os recursos das gotículas para criar um microcanal focado em fluxo. Usando as simulações, eles obtiveram uma abordagem para alcançar uma maior compreensão do complexo processo on-chip. Os resultados permitiram que a equipe combinasse dois fluidos imiscíveis e sua velocidade para examinar a formação de gotículas, o diâmetro das gotículas e sua taxa de geração.

A estratégia

Sartipzadeh et al desenvolveram os métodos experimentais em vista dos resultados da simulação. Eles investigaram as propriedades físicas e químicas da quitosana e da doxorrubicina; um tipo de droga antraciclina/quimioterapia, em relação ao tamanho das gotículas e taxa de criação de gotículas. A equipe determinou o padrão e a velocidade dos componentes usando um dispositivo microfluídico de focalização de fluxo (MFFD) para determinar o tamanho das gotas e as taxas de produção. Com base nos resultados, a equipe conseguiu um método abrangente para criar gotículas microfluídicas. Os MFFDs mantinham condutos de entrada e saída para regular fluxos de fluidos dispersos e imiscíveis colidindo uns com os outros em uma interseção. Os cientistas observaram como as gotículas se dirigiam a jusante do duto principal com base no gradiente de pressão e no fluxo de velocidade da configuração para formar quatro níveis de fluxo. Os instantâneos que acompanham as simulações ilustraram a configuração das gotículas como subordinadas ao tempo com concentrações variadas de quitosana e doxorrubicina. Sartipzadeh et al projetaram e desenvolveram o padrão de formação de fluxo microfluídico em wafer de silício usando litografia suave e fundiram o molde do dispositivo de focalização de fluxo microfluídico com polidimetilsiloxano. A equipe ligou o molde de padrões de chip em um vidro deslizante por meio de plasma de oxigênio e, em seguida, injetou os constituintes no chip usando duas bombas para examinar os mecanismos de produção combinada de gotículas de microgel.

Dinâmica da formação de gotículas

A equipe explorou a dinâmica da formação de gotículas de líquido direcionadas à pressão, onde notaram um aumento significativo na pressão, em comparação com a pressão antes e depois do processo. O fenômeno dependia da força de pressão, tensão de cisalhamento e tensão superficial. Quando a pressão e a tensão de cisalhamento foram maiores que a força de tração superficial, a gota começou a engrossar e se tornar mais fina. Além disso, o equilíbrio de forças entre os parâmetros de pressão, tensão de cisalhamento e tensão superficial dependeu das propriedades físicas das soluções de interesse. A equipe explorou a concentração dos constituintes, em relação às dimensões da gota, e indicou um equilíbrio entre força de cisalhamento e tensão interfacial. Eles calcularam o fluxo de líquido e seu efeito em várias aplicações, incluindo imunoensaios de laboratório em chip, e calcularam o tamanho das gotículas em relação às concentrações dos constituintes, incluindo a frequência de geração de gotículas e o número de gotículas formadas no estudo. A equipe creditou os resultados a vários parâmetros da plataforma.

Prova de conceito:perfis de liberação de drogas do medicamento quimioterápico doxorrubicina

Sartipzadeh et al desenvolveram então uma mistura de quitosana-doxorrubicina com diferentes concentrações de quitosana misturada com uma quantidade específica do fármaco quimioterápico doxorrubicina, para entender a dependência do diâmetro das gotículas na viscosidade. O aumento da concentração de quitosana levou a um aumento de sua viscosidade dinâmica para produzir gotículas de diâmetros variados. A equipe investigou em seguida a liberação de doxorrubicina da quitosana em laboratório, para mostrar como o perfil de liberação da droga seguiu um padrão de duas vias, para destacar o papel da quitosana como microtransportadores de sistemas de entrega semi-direcionados. Os cientistas examinaram os perfis de liberação de drogas dos microtransportadores em duas temperaturas e níveis de pH diferentes, para destacar a toxicidade da doxorrubicina encapsulada em células cancerígenas em comparação com a droga livre. A presença do carreador tornou o processo de liberação do fármaco mais biocompatível para células saudáveis, quando comparado à toxicidade do fármaco em sua forma livre.

Perspectivas

Dessa forma, Omid Sartipzadeh e colegas desenvolveram um modelo computacional de dinâmica de fluidos para entender o processo de dimensões de gotículas de quitosana biocompatíveis e a formação em um microcanal focado em fluxo. Os resultados da simulação destacaram uma abordagem alternativa para alcançar os resultados experimentais esperados. Com base nos estudos, a equipe enfatizou a importância das micropartículas de quitosana para aplicações de entrega de medicamentos em biomedicina. A excelente bioatividade, biocompatibilidade e biodegradabilidade, tornaram o material adequado para várias aplicações em um dispositivo microfluídico, incluindo triagem de drogas em plataformas lab-on-a-chip e entrega de drogas em instrumentos organ-on-a-chip, com culturas de células 3D para avaliar a toxicidade de candidatos a medicamentos. A equipe realizou uma análise de prova de conceito para enfrentar desafios significativos na biomedicina e destacou o papel das gotículas de quitosana como microtransportadores para terapia farmacêutica direcionada. + Explorar mais

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