2020年初新冠疫情爆发，12月份Pfizer/BioNTech和Moderna开发的新guan疫苗就都获得了FDA紧急使用授quan。mRNA新guan疫苗开发速度之快，让行业认识到mRNA及包裹mRNA的脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticle，LNP）技术在疫苗和药物开发上的可行性和优势。mRNA是带有负电荷的长链大分子，与细胞膜静电排斥使其很难进入细胞内。并且mRNA分子是单链，极其脆弱，体内的多种酶都能将它迅速降解，很难将其递送至细胞内编码蛋白。LNP可以将mRNA包裹在核中以避免降解，其中含有的可电离的阳离子脂质、中性辅助磷脂、胆固醇和PEG化脂质“各有分工"（图1），帮助mRNA实现有效包载和细胞递送。微流控技术可以控制参数和脂质组成来控制粒径及粒径分布，不需要额外的整粒步骤，适合mRNA或者其他有稳定性要求的药物纳米结构的制备。
图1 LNP组分功能
微流控技术
微流控技术是一种利用微通道处理或操纵微小流体的技术，所用装置又称为微流控芯片，具有体积轻、反应速度快、能耗低、样品及试剂用量少的特点和优点。
微流控的流体特性
雷诺系数(Reynolds number，Re)用于衡量作用于流体上的惯性力与黏性力相对大小。Re大意味着惯性力占主要地位，流体呈湍流，在一般管道Re<2000为层流状态（图2）。微流控中的流体Re通常远小于100，属于典型的层流，黏性力的影响远大于惯性力，同时由于流动阻力大，液体间不易混合。对于不互溶液体，在层流状态下扩散更难以形成，两相界面明显(图3a)；而互溶液体在此层流状态下也会形成界面，不同液体间的扩散随着时间的延长沿横向／纵向进行(图3b)。随着混合液体的特性、通道结构尺寸等多种因素的变化，微流控管道中的流体会形成塞状流、分层流、液滴流和环形流等多种不同的流型。由于在微流控通道内流体通过的体积极小，借助驱动装置可以精准调控液体流量和流速。互溶液体间可通过对流体的控制和加剧混合来迅速得到大小均一、重复性好的粒子：不互溶液体间通过在混合过程中界面保留及边界流体对中间流体的剪切得到均一的单乳／复乳液滴结构等。
图2 湍流和层流示意图
图3 不同微流体混合界面示意图
a：不互溶流体界面；b：互溶流体界面
微流控的通道结构
微流控通道的结构（尺寸、通道形状和壁面等）会对流体状态产生显著影响。zui常见的通道为平直结构(图4a)，为增强流体的有效混合，会将通道进一步设计成多种结构。通过对通道不同结构的设计，更有利于液体在通道的弯折、起伏结构中在较低Re情况下产生剧烈的涡旋搅拌作用而增强混合效果，减少混合时间。
图4 微流体芯片的不同通道结构示意图
微流控的粒径影响因素
通过调节微流控参数和脂质组成可以控制形成的LNP粒径。I.V. Zhigaltsev等采用图5所示微流控结构，保持脂相流速为0.5mL/min，水相流速从0.5mL/min升至4.5mL/min来调节水脂相流速比（flow rate ratio, FRR）为1-9，此时总流体流速（total flow rate, TFR）从1mL/min增加至5mL/min。从图5可以看出，随着FRR增大，混合更快且稀释效应更好，粒径减小。脂质为POPC时，最小粒径约20nm；脂质为POPC/Chol时，最小粒径略有增加，为40nm。从中可以看出改变脂质相，LNP的粒径改变，且胆固醇可以增加LNP的最小粒径。
此外其他研究表明微流控芯片通道尺寸、深度以及几何形状对制备的脂质体大小没有显著影响，不同的芯片结构、通道尺寸都可以产生尺寸相似的脂质体。但通道尺寸和深度较大的芯片易于制作和操控，且制备通量更高，有利于实际应用。
图5 微流体结构示意图及实验结果
IgniteTM微流控混合仪
IgniteTM微流控混合仪
IgniteTM是PNI（Precision NanoSystems）的Nanoassemblr®平台在2019年推出的微流控混合仪，适用于LNP、脂质体、乳剂等纳米结构的制备，可以实现纳米颗粒组分在纳升水平（<20nL）以毫秒（＜3ms）混合，保证混合效果。同时PNI推出一系列适用于不同药物开发阶段的微流控混合仪（图6），覆盖药物研发各阶段的制备需求。Ignite单次制备时间很短（分钟级），一天可以筛选30+种处方，非常适合用于处方的快速筛选。但是Ignite仪器昂贵，购买成本高且需要时间，这时仪器租赁就成为不错的选择。北京大学生命科学华东产业研究院联合辅必成及艾伟拓共同打造了“微纳米注射剂中试基地"不仅提供Ignite仪器租赁，还可以提供LNP制备辅料（合成磷脂和阳离子脂质）、LNP知识培训、仪器使用指导及现场测试、现场试验指导等方面的服务，欢迎各位莅临参观、指导和业务洽谈。基地地址：江苏省启东市世纪大道2099号。
图6 PNI不同规模微流控混合仪及Ignite详细介绍
图7 微纳米中试基地
注释：学海无涯，个人学识有限，如果有错误之处，欢迎各位批评指正。
参考资料：
1. mRNA疗法的递送系统汇总
2. 微流控芯片技术在中药研究领域的应用进展研究 余逸，陈子郁，于丽丽
3. 微流控技术在纳米药物输送系统中的应用 郭希颖，魏 巍 ，王坚成+，张 强
4. Microfluidic-mediated nano-drug delivery systems: from fundamentals to fabrication for advanced therapeutic applications
5. Bottom-Up Design and Synthesis of Limit Size Lipid Nanoparticle Systems with Aqueous and Triglyceride Cores Using Millisecond Microfluidic Mixing
6. FluidicLab流体实验室-应用微流控技术生成载药型脂质体
