Síntesis de nanopartículas lipídicas por flujo turbulento en mezcladores de chorro de impacto confinados
23 de agosto de 2024
Se demuestra un protocolo detallado para sintetizar nanopartículas lipídicas (LNPs) utilizando tecnologías de mezcladores de chorro de impacto confinado (CIJ), incluyendo un CIJ de dos chorros y un mezclador de vórtice de entrada múltiple de cuatro chorros (μMIVM). Los mezcladores CIJ generan entornos de micromezcla turbulentos y reproducibles, lo que da como resultado la producción de LNP monodispersos.
Nuestra investigación se centra en comprender la formación de nanopartículas a través de la mezcla turbulenta de flujos de disolventes y antidisolventes en geometrías confinadas. La mezcla turbulenta confinada permite la producción reproducible de nanopartículas lipídicas en condiciones de flujo continuo, que van desde la escala de laboratorio a cientos de microlitros hasta la escala industrial a docenas de litros por minuto. Las nanopartículas lipídicas se preparan normalmente con dispositivos microfluídicos o mediante mezcla con pipetas.
Estos dispositivos microfluídicos mezclan etanol, solvente y corrientes acuosas de antisolventes en estos canales capilares. Sin embargo, estos canales pequeños y caudales bajos producen un número de Reynolds bajo, lo que conduce a la mezcla laminar. Y la mezcla con pipetas produce LNP inyectando el flujo de disolvente directamente en un baño de antidisolvente.
Los métodos actuales para fabricar nanopartículas lipídicas tienen poca escalabilidad y reproducibilidad. Por ejemplo, la mezcla de pipetas es inherentemente variable debido a la mezcla manual no confinada. Si bien los dispositivos microfluídicos abordan algunos de estos problemas, funcionan a caudales muy bajos.
Y se ensucian debido a la deposición de ARN lipídico en las paredes del canal. Estos problemas ponen de manifiesto la necesidad de contar con técnicas reproducibles con un alto rendimiento desde el laboratorio hasta las escalas clínicas. Este protocolo demuestra la producción reproducible y escalable de nanopartículas lipídicas a través de la mezcla turbulenta en diferentes tamaños de lote.
Los investigadores pueden realizar con confianza el cribado o la optimización de la formulación de LNP a pequeña escala antes de producir lotes más grandes de materiales para ensayos prolongados. La mezcla turbulenta garantiza nanopartículas consistentes independientemente del tamaño del lote. Confinados a la geometría, los mezcladores turbulentos abordan los principales problemas de las técnicas de producción de nanopartículas lipídicas existentes.
El uso de condiciones turbulentas produce una mezcla a escala molecular más rápida, lo que permite la incorporación de oligonucleótidos de diferentes tamaños en el núcleo de LNP. El mezclador CIJ también elimina el ensuciamiento causado por la deposición de lípidos en las paredes del mezclador. Los flujos turbulentos en el mismo número de Reynolds, tienen vórtices de escala de Kolmogorov turbulentos autosimilares para una mezcla consistente.
Visión general
Este artículo presenta un protocolo detallado para la síntesis de nanopartículas lipídicas (LNP) utilizando tecnologías de mezcladores de chorro confinado de impacto (CIJ). Los mezcladores CIJ facilitan entornos de micromezcla turbulentos reproducibles, lo que conduce a la producción de LNP monodispersas.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Síntesis de nanopartículas
- Técnicas de mezcla turbulenta
- Aplicaciones biotecnológicas
Antecedentes
- Las nanopartículas lipídicas son esenciales para los sistemas de administración de fármacos.
- Los métodos actuales para la producción de LNP enfrentan problemas de escalabilidad y reproducibilidad.
- Los dispositivos microfluídicos a menudo conducen a una mezcla laminar, que es menos efectiva.
- La mezcla turbulenta confinada ofrece una solución a estos desafíos.
Propósito del estudio
- Demostrar un método reproducible y escalable para la producción de LNP.
- Abordar las limitaciones de las técnicas existentes de síntesis de LNP.
- Permitir una selección y optimización eficiente de formulaciones.
Métodos utilizados
- Utilización de mezcladores de chorro confinado de impacto (CIJ) para mezcla turbulenta.
- Preparación de corrientes de solvente y antisolvente de manera controlada.
- Implementación de un mezclador de vórtice de múltiples entradas (MIVM) para producción a mayor escala.
- Recolección y análisis de dispersiones de nanopartículas lipídicas.
Principales resultados
- Producción exitosa de nanopartículas lipídicas monodispersas.
- Escalabilidad demostrada desde laboratorio hasta escalas industriales.
- Mezcla consistente lograda a través de flujos turbulentos.
- Eliminación de problemas de incrustación asociados con la deposición de lípidos.
Conclusiones
- La mezcla turbulenta confinada es un método viable para la síntesis de LNP.
- Este enfoque mejora la reproducibilidad y la escalabilidad.
- Los investigadores pueden optimizar con confianza las formulaciones de LNP para diversas aplicaciones.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Confined impinging jet (CIJ) turbulent mixing enables scalable, reproducible synthesis of lipid nanoparticles (LNPs) for therapeutic delivery, directly addressing the limitations of microfluidic and manual mixing methods. This technology supports confident transition from laboratory-scale formulation screening to industrial-scale production, ensuring consistent nanoparticle quality and process reliability. The approach is highly relevant for biopharma pipelines requiring robust, high-throughput LNP manufacturing for nucleic acid therapeutics and vaccine platforms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid formulation screening and optimization of LNP compositions for nucleic acid delivery.
- Supports functional validation of delivery vehicles by producing LNPs with controlled size and stability.
- Facilitates mechanistic de-risking by ensuring reproducible nanoparticle characteristics across batches.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible LNP preparations for downstream biological assays.
- Delivers quantitative control over nanoparticle size, zeta potential, and encapsulation efficiency.
- Enables high-throughput screening readiness and platform scalability for diverse payloads.
Translational & Preclinical Research
- Ensures continuity from discovery to preclinical validation by maintaining LNP quality at increasing scales.
- Aligns with translational biomarker strategies by supporting consistent delivery system performance.
- Reduces risk of late-stage failure due to process variability or fouling-related inconsistencies.
Pipeline & Workflow Integration
CIJ and multi-inlet vortex mixers position LNP synthesis as a bridge from early discovery through lead optimization to preclinical material supply, supporting robust process transfer and scale-up.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of delivery efficacy and payload compatibility in controlled systems.
- Screening: Provides reproducible, quantitative LNP batches for comparative evaluation of formulations.
- Analytics: Supports measurement of size, zeta potential, and stability for data-driven decision making.
- Translational Research: Maintains process continuity and product quality from small-scale to clinical trial material production.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, standardized platform adaptable to various nucleic acid and therapeutic payloads.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in LNP performance and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable nanoparticle production workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by minimizing process-related risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of LNP-based therapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanoparticle formulation and turbulent flow mixing principles.
- Needs access to CIJ or multi-inlet vortex mixers and analytical tools for nanoparticle characterization.
- Demands cross-team standardization of mixing parameters and quality control metrics.
- Adaptable to various nucleic acid payloads and lipid compositions with protocol adjustments.
- Considerations include cleaning protocols and fouling prevention, as supported by mixer design.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:28
Optimized Formulation of Lipid Nanoparticles Using a Two‐Jet Continuous Impinging Jet (CIJ) Mixer
4:49
Advanced Formulation and Production of Lipid Nanoparticles Using a Four‐Jet Micro‐Size Multiple Inlet Vortex Mixer (µMIVM)
