脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticles, LNPs）作为新一代药物递送载体，在抗癌药物、mRNA 疫苗等领域展现出不可替代的优势。传统批量混合法制备 LNPs 存在粒径分布宽、重现性差等问题，难以满足生物医学对载体均一性的严苛需求。本文以点成 Microfluidic ChipShop开发的人字形混合芯片 Fluidic 1460 为核心，系统阐述其设计原理、实验方案及 LNPs 尺寸控制策略。结果表明，该芯片通过优化通道几何结构、流速参数及溶液组成，可实现 50~200 nm 高单分散性 LNPs 的可控制备（多分散指数PDI<0.2），且批间差异小、操作自动化程度高，为 LNPs 的规模化、精准化合成提供了可靠技术方案。
脂质纳米颗粒（LNPs）的背景
脂质纳米颗粒（LNPs）是一类由脂质分子自组装形成的纳米级囊泡结构，核心功能是包载疏水性或亲水性小分子药物、核酸（mRNA/siRNA）等活性成分，并通过 “靶向递送 – 细胞内吞 – 药物释放” 的链路，解决药物溶解度低、生物利用度差、脱靶毒性高等关键问题[1]。其核心优势体现在三方面：
- 生物相容性优异：主要成分（结构脂质、胆固醇、PEG 修饰脂质等）多源于天然或可降解材料，体内代谢安全性高
- 递送效率可控：通过调节脂质组成（如离子化脂质比例），可精准调控 LNPs 与细胞的结合能力及内体逃逸效率
- 应用场景广泛：从静脉注射抗癌药物到黏膜递送疫苗，LNPs 可适配多种给药途径，已在新冠
mRNA 疫苗（如辉瑞 / BioNTech 疫苗）中实现临床转化[2]
然而，LNPs 的性能高度依赖其粒径及均一性，粒径过大会导致体内清除速率加快，过小则易发生非特异性分布；而宽粒径分布会直接导致批次间药效差异，成为制约其产业化的关键瓶颈。
图 1 LNP 的结构
传统制备技术的局限 VS 微流控技术的突破
传统 LNPs 合成以批量混合法为主：将大量有机相（脂质乙醇溶液）与水相（缓冲液）快速搅拌混合，通过溶剂扩散引发脂质自组装。该方法的缺陷显著：
- 混合过程受搅拌速率、容器体积等因素影响，难以实现两相均一接触，导致粒径分布范围宽（通常 > 50 nm）
- 批次间操作参数难以严格复刻，重现性差
- 规模化生产时易出现局部浓度不均，引发颗粒团聚
微流控技术的出现为解决上述问题提供了新思路。其核心原理是在微米级通道内精准控制流体流动，通过结构化设计（如人字形、鱼骨形混合单元）实现两相的快速、均一混合，从而调控 LNPs 的成核与生长过程。其中，点成 Fluidic 1460 凭借 “多通道可选、粒径可控、操作便捷” 的特点，成为LNPs 微流控制备的代表性芯片。
点成人字形混合芯片 Fluidic 1460 的工作原理
人字形混合芯片 Fluidic 1460
LNPs 的微流控制备本质是有机相-水相的精准传质过程， Fluidic 1460 芯片通过以下设计实现高效混合：
- 流体驱动：通过压力驱动泵（如 ELVEFLOW OB1 流量控制器）提供无脉动流，确保有机相（脂质乙醇溶液）与水相（缓冲液）以稳定流速进入芯片入口
- 结构化混合：通道内的脊状（人字形）微结构打破流体层流状态，迫使两相产生横向对流与剪切，实现 “毫秒级” 均一混合，避免局部脂质浓度过高导致的团聚
- 自组装成粒：混合后有机相溶剂（乙醇）快速扩散至水相，脂质分子因溶解度骤降而核化（Nucleating），并逐步生长（Growing）为稳定的 LNPs，最终从出口收集。
该过程全程自动化控制，混合效率远高于传统批量法，是保证 LNPs 均一性的核心前提。
图 2 LNPs 形成阶段示意图
LNPs 微流控制备实验方案
- 微流控芯片：人字形混合器芯片 Fluidic 1460
- 流体控制系统：ELVEFLOW OB1 压力驱动泵、Elveflow 流量传感器
- 辅助配件：Mini Luer 连接器、PEEK 毛细管（1/32 英寸，ID 0.50 mm）、12~14 kDa MWCO 透
析膜 - 检测设备：动态光散射仪（DLS，用于粒径与 PDI 测定）、倒置显微镜（观察颗粒形貌）
- 脂质储备液（10 mM）：称取 7.9 mg 二硬脂酰磷脂酰胆碱（DSPC）、19.3 mg 胆固醇、25.8 mg1,2 – 二油酰基 – 3 – 三甲基铵丙烷（DOTAP）、7.5 mg 1,2 – 二肉豆蔻酰 – rac – 甘油 – 3 – 甲氧基聚乙二醇 – 2000（DMG-PEG2000），溶于 10 mL 无水乙醇，超声至完全溶解
- 水相缓冲液（10 mM 柠檬酸盐，pH 6.0）：1.213 g 二水合柠檬酸钠 + 168 mg 柠檬酸溶于 40 mL 超纯水，用 1 M NaOH/HCl 调节 pH 至 6.0，定容至 50 mL
- 稀释溶剂：无水乙醇（分析纯）、超纯水（电阻率 > 18.2 MΩ・cm）
- 通过 Mini Luer 连接器将芯片与预充好的管路对接，确保接口无泄漏；
- 启动 OB1 流量控制器，设置初始压力 500 mbar，待芯片通道完全充满液体（出口有稳定液滴
流出）后，切换至 “流速控制模式”； - 设定基础流速参数：水相流速 1000 μL/min，脂质相流速 300 μL/min（对应 FRR=3.3:1，TFR=1300μL/min），运行 5 min 使系统稳定。
图 3 实验装置示意图
- 收集：用无菌离心管收集芯片出口流出的 LNPs 溶液
- 纯化：将收集液转移至透析袋（12~14 kDa MWCO），用 PBS 缓冲液透析4h（每 1 h 更换一次缓冲液），去除残留乙醇与游离脂质
- 表征：用 DLS 测定纯化后 LNPs 的粒径、PDI，用显微镜观察颗粒分散性
LNPs 粒径控制策略与应用效果
LNPs 的粒径（50~200 nm）主要受芯片几何结构、流速参数等方面调控，具体规律如下：
- 芯片几何结构
/通道结构 A（深度 200 μm、宽度 600 μm）：适用于制备 100~200 nm LNPs；
/通道结构 B（深度 100 μm、宽度 400 μm）：流体剪切力更强，可制备50~100 nm 小粒径 LNPs。 - 流速参数
/流量比（FRR，水相 / 有机相）：FRR 越高，水相对有机相的稀释速率越快，脂质核化尺寸越小，如 FRR=10:1 时粒径比 FRR=2:1 小 30%~40%；
/总流量（TFR，水相 + 有机相）：TFR 提升可缩短混合时间，减少颗粒生长窗口，TFR 从 0.5
mL/min 增至 2 mL/min 时，粒径可降低 20~50 nm（结构 A 条件下）。
图 4 结构 A 中 TFR 和 FRR 的函数关系纳米颗粒大小。PDI 对粒径分布的描述
图 5 纳米颗粒尺寸与芯片结构的函数关系，通过 PDI 描述尺寸分布
操作技巧与注意事项
- 避免气泡干扰：连接芯片前，需将管路从储液瓶到芯片入口完全充满液体（可通过手动推注排除气泡），减少气泡对混合流场的破坏；若实验中出现气泡，可暂停泵并通入乙醇冲洗通道。
- 减少颗粒吸附：LNPs 易吸附于疏水表面，建议优先选择 PC 材质芯片（疏水性低于 Zeonor）；若吸附严重，可在水相中添加 0.01% Tween-80（表面活性剂），或对芯片通道进行亲水性涂层（如 PEG 修饰）。
- 防止系统泄漏：接口泄漏会导致流速波动，需选用 TPE 材质的 Mini Luer 连接器，并确保管路与芯片接口紧密对接；实验前用乙醇压力测试（500 mbar，10 min），确认无泄漏后再进行正式实验。
结论
本文证实，点成 Fluidic 1460 通过微流控结构化混合设计，解决了传统 LNPs 制备的均一性与重现性难题，可实现50~200 nm 高单分散性 LNPs 的精准合成。该技术具有操作自动化、参数可控性强、批间稳定性好等优势，不仅适用于实验室规模的 LNPs 研发，还可通过多通道并行设计拓展至中试生产。
参考文献
[1] Sahin U, Karikó K. mRNA-based therapeutics: developing a new class of drugs[J]. Nat Rev Drug Discov, 2020, 19(10): 631-648.
[2] Zhang Y, et al. Microfluidic synthesis of lipid nanoparticles for mRNA delivery[J]. Lab Chip, 2021, 21(12): 2336-2350.
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