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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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.
