Controlled liposome production using micromixers based on Dean flow dynamics

López Salazar, Rubén Rodrigo (2020). Controlled liposome production using micromixers based on Dean flow dynamics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Liposomes are multipurpose delivery carriers capable of targeting specific organs, tissues, and cells. This specificity is controlled by their physicochemical properties, which determine their interactions with biological systems. Therefore, controlling liposome properties is crucial for their effective implementation.

Liposomes must be produced on an industrial scale in a reproducible way to be effectively deployed as nanomedicines. Conventional bulk production methods have inadequate control over liposome properties and require multiple homogenization and drug encapsulating steps adding to reproducibility problems. By contrast, liposome production using microfluidic devices such as micromixers enables continuous-flow liposome synthesis with enhanced control over liposomes properties such as size and size distribution.

Previously proposed micromixers suffer from low liposome productivity, fabrication problems, clogging, agglomeration, and harmful organic solvent residues. Most of the time, these devices were tailored to chemical reactions and not specifically to liposome production. Liposome self-assembly requires a mixing process that is fast to produce small liposomes, but to a certain extent, it should be uniform, so liposome formation conditions are similar for all the particles and thus result in homogenous size populations.

Dean flow dynamics-based micromixers, which are used in this work, offer an alternative to earlier microfluidic devices, with the potential of producing uniform controllable nanosized liposomes, at a high production rate. Also, their fabrication is simplified because they do not require complicated three-dimensional structures to create flow perturbations.

In this dissertation, numerical modeling and confocal imaging were used to investigate the mixing process. As a result, a novel micromixer was proposed. Liposome production factors using the proposed microfluidic device were identified and modeled using statistical tools. Size-controlled liposomes as small as 27 nm, at a production rate as high as 41 mg/mL were produced. Additionally, liposomes showed to be stable for up to 6 months. Other molecular related factors were investigated to better understand their effects in liposome physicochemical properties. Likewise, the polarity change rate influence over liposome size was demonstrated using both conventional organic solvents and Transcutol®. The latter has the potential to avoid filtration steps due to its reduced toxicity.

The liposome synthesis approach presented in this work offers the potential to produce controlled-size nanoparticles on an industrial scale with applications in the biomedical field, such as drug and gene delivery systems, as well as the study of cell to cell communication.

Titre traduit

Production contrôlée de liposomes à l'aide de micromélangeurs basés sur Dean la dynamique des écoulements

Résumé traduit

Les liposomes constituent des transporteurs polyvalents, car ils ont la capacité de cibler spécifiquement des organes, des tissus et des cellules. Ils tiennent cette spécificité de leurs propriétés physicochimiques, qui régissent les interactions avec les systèmes biologiques. De ce fait, afin que les liposomes soient des transporteurs efficients, il est crucial de contrôler ces propriétés.

Afin d'être déployés de manière efficace comme nanomédicaments, les liposomes doivent être produits à une échelle industrielle, et ce, d'une façon reproductible. Le recours à des méthodes conventionnelles de production de masse ne permet pas d’exercer un contrôle adéquat sur les propriétés des liposomes. En effet, ces méthodes requièrent de multiples étapes d'homogénéisation et d'encapsulation de médicaments, rendant particulièrement difficile la reproduction des propriétés des liposomes. Cependant, l’emploi de dispositifs microfluidiques, notamment les micromélangeurs, permet la synthèse en flux continu des liposomes ainsi que l’application d’un contrôle plus précis sur leurs propriétés, par exemple leur taille, et sur la distribution de leur taille.

Malgré ses avantages, la production par micromélangeurs présente des points négatifs : faible productivité, différents problèmes de fabrication, colmatage, agglomération et présence de résidus de solvants organiques nocifs. Ces aspects négatifs s’expliquent par le fait que les micromélangeurs ne sont pas conçus pour produire des liposomes, mais plutôt des réactions chimiques. L'autoassemblage des liposomes nanométriques requiert un processus de mélange rapide. Celui-ci doit cependant être uniforme pour produire des populations de taille homogène.

Les micromélangeurs fondés sur la dynamique des flux de Dean, l’approche sur laquelle se base cette thèse, offrent une alternative aux dispositifs jusqu’ici utilisés, car ils ont le potentiel de produire des liposomes nanométriques dont les propriétés sont contrôlables, et ce, à un taux de production élevé. De plus, la fabrication de ces dispositifs est plus simple que celle des conceptions antérieures.

Cette thèse a recours à la modélisation numérique et à l'imagerie confocale. Ces dernières nous ont permis de concevoir un micromélangeur. Des liposomes, aussi petits que 27 nm, dont la taille peut être contrôlée et ayant une reproductibilité élevée, ont été produits à un taux de production allant jusqu’à 41 mg / mL. L’obtention de ces résultats a été appuyée par l’utilisation d’outils statistiques. Par ailleurs, les liposomes se sont montrés stables pendant une période de 6 mois. D’autre part, plusieurs facteurs moléculaires ayant une influence sur les propriétés physico-chimiques des liposomes ont été étudiés. L’étude de la formation de liposomes à l’aide de solvants organiques conventionnels et du Transcutol® a démontré que le taux de changement de la polarité exerce une influence directe sur la taille des liposomes. De plus, l’utilisation du Transcutol® est avantageuse, car elle ne requiert pas d’étapes de filtration en raison de sa faible toxicité.

L’approche de synthèse liposome présentée dans ce travail offre la possibilité de produire des nanoparticules de taille contrôlée à l’échelle industrielle avec des applications dans le domaine biomédical, tels que les systèmes de distribution de médicaments et de gènes, ainsi que l’étude de la communication cellulaire à cellule.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 157-171).
Mots-clés libres:	liposomes, micromélangeurs, dynamique des flux de Dean, dispositifs microfluidiques, nanoparticules
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nerguizian, Vahé
Codirecteur:	Codirecteur Stiharu, Ion
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 nov. 2020 20:01
Dernière modification:	06 nov. 2020 20:01
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2568

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