System oparty na mikrofluidyce umożliwia uzyskanie kropel w idealnym rozmiarze
Emulsje to zawiesiny drobnych, kropel wielkości kilku mikrometrów w niemieszalnym rozpuszczalniku. Są one szeroko wykorzystywane w wielu sektorach jako mechanizmy dostarczania substancji lub sposoby na kapsułkowanie różnych aktywnych składników. Analiza wielkości kropel w tych niezwykle fascynujących i złożonych systemach ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji ich wydajności i bezpieczeństwa. Konwencjonalne techniki wykorzystywane współcześnie pozwalają na produkcję emulsji w dużych ilościach, ale kontrolowanie wielkości powstających kropel nadal pozostaje wyzwaniem. Wielkość tych polidyspersyjnych kropel może różnić się nawet o około 20 %, co przekłada się bezpośrednio na szybkość ich degradacji, kinetykę uwalniania substancji oraz stabilność emulsji. „Nierównomierne rozmiary kropel stanowią problem przede wszystkim w branży farmaceutycznej, gdzie nierównomierne ilości substancji leczniczej znajdujące się w cząsteczkach i kroplach mogą spowodować początkowe uwolnienie ogromnych ilości substancji w organizmie. W praktyce może doprowadzić do niepożądanych skutków, w tym zjawisk cytotoksycznych”, zauważa Remigijus Vasiliauskas, kierownik finansowanego przez UE projektu AutoMonoDroplet. Jednorodność jest pożądana Mikrofluidyka to gałąź nauki oraz inżynierii zajmująca się opracowywaniem systemów, które mogą przetwarzać ciecze za pomocą niewielkich kanałów w mikroskali. Ta przełomowa technologia zajmująca się precyzyjną kontrolą i manipulacją płynami pozwala na tworzenie wysoce monodyspersyjnych kropelek pożądanych przez wiele sektorów, głównie te, w których konieczne jest mierzenie lub analizowanie niewielkich ilości cieczy w krótkim okresie czasu. „Urządzenia mikroprzepływowe oparte na kroplach rozwinęły się i stały się uniwersalnym narzędziem do produkcji mikrocząsteczek monodyspersyjnych charakteryzujących się różnicami wielkości wielkości wynoszącymi poniżej 5 % z prędkością produkcji wynoszącą tysiąc cykli na sekundę. Jedną z największych zalet tej technologii jest niewielka ilość wymaganych próbek i odczynników, a także obniżenie kosztów dzięki mniejszemu zużyciu drogich odczynników”, zauważa Vasiliauskas. Nie jest ona jednak jeszcze szeroko stosowana w przemyśle. „Prawdopodobnie dzieje się tak ze względu na trudności związane z jej komercjalizacją, które dotyczą głównie wyższych prędkości produkcji oraz większych ilości emulsji wymaganych w zastosowaniach przemysłowych. Co więcej, w niektórych zastosowaniach wymagany jest jeszcze większy stopień jednorodności”, dodaje. Mikrokrople dopasowane do potrzeb Projekt AutoMonoDroplet zajął się dwoma najbardziej palącymi problemami dotyczącymi tej technologii – próbą osiągnięcia bardziej jednorodnych rozmiarów oraz zwiększenia poziomu produkcji mikrokropel do skali przemysłowej. Głównym osiągnięciem projektu jest opracowanie w pełni zautomatyzowanego systemu produkcji kropel, który jest w stanie monitorować ich wielkość i częstotliwość, a także regulować natężenie przepływu i ciśnienie płynu w celu skompensowania wszelkich zmian w układzie pompowania. Rozwiązanie jest również w stanie utrzymać bardzo wysoką jednorodność produkcji kropel przez długi okres czasu wytwarzając duże ilości emulsji monodyspersyjnych, szczególnie w połączeniu z układem mikroprzepływowym wyposażonym w wiele równoległych urządzeń skupiających przepływ. „Mikrokropelki przywodzą na myśl obraz niewielkich kropel o rozmiarze porównywalnym do szerokości ludzkiego włosa, poruszających się jednocześnie z dużą szybkością. Aby móc obserwować i dokładnie określić ich rozmiary, potrzebne są drogie kamery pozwalające na rejestrację dużej liczby klatek na sekundę”, podsumowuje Vasiliauskas. Aby uniknąć dodatkowych kosztów, naukowcy zdecydowali się na użycie światła laserowego w celu oświetlenia kropel. Po odbiciu, światło padające jest przetwarzane przez specjalne algorytmy, co umożliwia dokładne obliczenie wielkości kropel. Dane są następnie przesyłane do pompy kontrolującej ciśnienie, która kompensuje wszelkie niespójności w wielkości kropli poprzez zmianę ciśnienia, co pozwala na produkcję niezwykle monodyspersyjnych kropel. Nowy system mikroprzepływowy opracowany w ramach projektu AutoMonoDroplet umożliwia dokonywanie szybkich postępów w produkcji kropel, umożliwiając jego użytkownikom produkcję monodyspersyjnych o rozmiarze wynoszącym od 50 do 300 mikrometrów, zgodnych z zapotrzebowaniem. System nie wymaga ingerencji człowieka, może zatem pracować 24 godziny na dobę zwiększając tym samym wydajność produkcji oraz ilość powstałej emulsji.
Słowa kluczowe
AutoMonoDroplet, kropla, mikrofluidyka, emulsja, monodyspersyjny, lek, polidyspersyjny, jednorodność
