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News Center近期,北京大學(xué)南昌創(chuàng)新研究院(以下簡稱“北大南昌院")與重慶摩方精密科技有限公司聯(lián)合共建的精密增材制造技術(shù)聯(lián)合實驗室(以下簡稱“實驗室"),攜手北京某研究院,在基于高精度3D打印微流控芯片技術(shù)的載藥微球制備領(lǐng)域取得了重要技術(shù)突破。實驗室利用精密增材制造技術(shù),研發(fā)出了高通量、高均勻度載藥微球制備的微流控芯片,不僅彌補了我國在載藥微球高精度制備領(lǐng)域長期存在的技術(shù)短板,更在高通量微流控芯片研發(fā)中實現(xiàn)了革命性創(chuàng)新,為微納制造與生物醫(yī)學(xué)工程的交叉領(lǐng)域開辟了全新的技術(shù)路徑。
實驗室依托北京大學(xué)、南方科技大學(xué)等高校的學(xué)術(shù)資源,在薛亞輝副教授的帶領(lǐng)下,配備了國際的精密制造設(shè)備和完整的實驗設(shè)施體系,構(gòu)建了從微流控芯片的設(shè)計、開發(fā)到載藥微球制備和測試的全流程技術(shù)解決方案平臺。這一突破性成果為我國在微流控芯片、載藥微球等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級換代提供了強有力的科技支撐。
高精度3D打印微流控芯片技術(shù)的突破與應(yīng)用
實驗室配備了4臺高精度微小尺度3D打印系統(tǒng) (圖1),其中包括一臺microArch® S230 3D打印機。該設(shè)備具備2μm的超高打印精度,是目前工業(yè)級微尺度增材制造設(shè)備中精度最高的機型。microArch® S230支持高粘度光敏樹脂及多種功能材料的精密成型,結(jié)合專業(yè)三維建模軟件,可實現(xiàn)微流控芯片結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計與多模式集成,顯著簡化了傳統(tǒng)芯片制備工藝。通過重新建模,芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整更加高效便捷,既提升了設(shè)計靈活性,同時大幅縮短研發(fā)周期。依托microArch® S230的優(yōu)異性能,充分展現(xiàn)了該技術(shù)在定制化設(shè)計與快速迭代優(yōu)化方面的優(yōu)勢,相關(guān)成果可成功應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測與化學(xué)分析等領(lǐng)域。
圖1. 實驗室的4臺3D打印機:microArch® S240(左);microArch® S230(右)。
高通量微流控芯片的模塊化設(shè)計與精密制造
實驗室自主設(shè)計研發(fā)出一款高通量、雙乳化微流控芯片,該芯片采用模塊化架構(gòu),由多個集成化微流控單元構(gòu)成(圖2)。每個微流控單元基于水包油包水(W/O/W)雙乳化模板,可實現(xiàn)單乳化向雙乳化體系的高效轉(zhuǎn)化,精確制備W/O/W型微球,在藥物遞送系統(tǒng)和生物分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
圖2. 可定制化設(shè)計微流控芯片。
為滿足不同規(guī)模的生產(chǎn)需求,實驗室還創(chuàng)新性地開發(fā)了多通道梯度化芯片系列,包括單、12、48、96及204通道等多種規(guī)格。其中,單、12通道芯片適用于實驗室小規(guī)模探索性研究;48、96通道芯片可滿足中等通量制備需求;204通道芯片則支持高通量規(guī)模化生產(chǎn) (圖3)。這種梯度化的通道設(shè)計確保了實驗精度,同時顯著提升了制備效率,為微球的批量化生產(chǎn)搭建了穩(wěn)固的技術(shù)平臺。
圖3. 204通道微流控芯片:正面(左);反面(右)。
3D打印微流控芯片在載藥微球制備中的應(yīng)用
實驗室采用高精度3D打印技術(shù),成功研制出用于制備載藥微球的高通量微流控芯片,并在PLGA-納曲酮微球和PLGA-醋酸亮丙瑞林微球的制備中取得了突破性進展。其中,PLGA-納曲酮微球作為阿片類藥物依賴及酒精依賴的新型治療制劑,其粒徑均一性(CV<5%,Span=0.16)、目標(biāo)載藥量(34.2%)和包封率(85.3%)等關(guān)鍵性能指標(biāo),均達到行業(yè)高標(biāo)準(圖4)。相較于傳統(tǒng)微流控制備方法,本技術(shù)通過高精密增材制造工藝有效解決了通量受限、粒徑分布不均、生產(chǎn)成本高及制備效率低等技術(shù)難題,大大提升了藥物控釋的精準度。該研究成果不僅實現(xiàn)了微流控載藥微球制備技術(shù)從實驗室規(guī)模向工業(yè)化生產(chǎn)的跨越,更為新型藥物遞送系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要支持。
圖4.(a)載藥微球?qū)嵨铮唬╞)載藥微球SEM圖;(c)載藥微球粒徑分布圖。
載藥微球體外釋放性能的評估與優(yōu)化
實驗室采用體外釋放實驗,對制備的PLGA-納曲酮載藥微球的藥物釋放特性進行了系統(tǒng)評估。試驗在模擬體內(nèi)環(huán)境的條件下開展,并與原研制劑Vivitrol®中納曲酮的釋放行為進行了對比分析(圖5)。實驗結(jié)果表明,兩種制劑均在7天內(nèi)實現(xiàn)了100%的藥物釋放,證實了所制備載藥微球具有良好的釋放特性。此外,基于微流控技術(shù)制備的載藥微球還展現(xiàn)出更精確的藥物控釋性能,其粒徑分布均勻性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)制備方法。這一發(fā)現(xiàn)不僅為新型藥物遞送系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要的實驗依據(jù),也為后續(xù)的制劑優(yōu)化和臨床應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
圖5. PLGA-納曲酮載藥微球與原研制劑Vivitrol®中納曲酮體外釋放結(jié)果。
北京大學(xué)南昌創(chuàng)新研究院是在江西省人民政府指導(dǎo)下,由南昌市人民政府和北京大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的具有獨立法人資格的南昌市屬事業(yè)單位。研究院立足江西省政策優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,聚焦國家重大科研戰(zhàn)略需求以形成高水平科研成果的孵化和轉(zhuǎn)化為目標(biāo),圍繞航空技術(shù)、新材料、先進制造等領(lǐng)域核心技術(shù)開展創(chuàng)新和應(yīng)用研究。研究院依托北京大學(xué)人才優(yōu)勢、科技優(yōu)勢,匯聚了一批以院士、海內(nèi)外資深教授為核心的高水平科研隊伍,最終將建成具有國內(nèi)外影響力的前沿技術(shù)創(chuàng)新平臺、創(chuàng)新人才聚集平臺、成果轉(zhuǎn)化與企業(yè)孵化平臺、人才培養(yǎng)與實踐平臺。