本发明涉及一种新型设备，其用于生产仅由亲水性物质组成的纳米颗粒以及包含疏水性物质和亲水性物质两者的纳米颗粒，以及使用该设备生产均匀的纳米颗粒的方法。根据本发明获得的纳米颗粒具有优异的颗粒均匀性，并且可以有效地用作药物或药物输送载体。
背景技术：
1、许多纳米药物正在被开发，以用于治疗剂和显像剂的目标输送，从而治疗和诊断包括癌症、心血管疾病、糖尿病和阿尔茨海默病的主要疾病。有效的药物输送系统可以改善难溶性和不稳定药物的吸收，同时增加药物的治疗效果并降低药物的毒性作用。更进一步地，这已经导致了用于改进患者预后和生活质量的更有效的药物的发现和开发。
2、随着用于药物输送的纳米医学技术的发展，在过去的十年中已经报道了许多研究，但是只有极少数的治疗性和诊断性的纳米药物已经获得了fda的批准。纳米药物的低成功率可归因于具有所期望的性质或功效的纳米颗粒的低再现性以及各批次在物理化学性质上的差异。药物释放曲线的再现性和可靠性是成功的药物输送系统的重要因素，这些主要取决于纳米颗粒的尺寸和均匀性。因此，越来越需要开发在纳米颗粒的生产过程期间能够稳定地且可再现地确保颗粒尺寸和均匀性的技术。特别是，由于纳米药物中输送的大多数药物是疏水性的，因此更难以均匀地合成用作药物载体的亲水性物质(例如磷脂)，因此尚未实现它们的开发。相应地，本发明的发明人开发了一种新型设备，其用于生产仅由亲水性物质组成的纳米颗粒，以及同时包含疏水性物质和亲水性物质两者的纳米颗粒，通过该新型设备成功地生产了均匀的纳米颗粒，从而完成了本发明。
3、[优先权文件]
4、[非专利文件]
5、(非专利文献1)velencia,p.等人。通过微流体快速混合而实现均质脂质-聚合物和脂质-量子点纳米颗粒的单步组装(single-step assembly of homogenous lipid-polymeric and lipid-quantum dot nanoparticles enabled by microfluidic rapidmixing)。acs纳米(acs nano)，4，3，1671-1679，(2010)。
6、(非专利文献2)rhee,m.等人。用于芯片实验室平台的微通道中的液滴混合(dropmixing in a microchannel for lab-on-a-chip platforms)。朗格缪尔(langmuir)，24(2)，590-601，(2008)。
7、(非专利文献3)rohit,k.等人。聚合物纳米颗粒受控合成的微流体平台(microfluidic platform for controlled synthesis of polymeric nanoparticles)。纳米快报(nano letters)，8，9，2906-12，(2008)。
8、(非专利文献4)johnson,b.k.等人。嵌段共聚物纳米颗粒快速自组装的机理(mechanism for rapid self-assembly of block copolymer nanoparticles)。物理评论快报(physical review letters)，91(11)，118302-1-4(2003)。
9、(非专利文献5)bekard,i.等人。剪切流对蛋白质结构和功能的影响(the effectsof shear flow on protein structure and function)。生物聚合物(biopolymers)，95，11，733-745(2011)。
技术实现思路
1、[发明要解决的问题]
2、传统的纳米颗粒生产方法主要由非标准化的、多步骤的工艺(例如纳米沉淀法和基于乳化的溶剂蒸发)组成。占纳米颗粒生产方法的50％以上的纳米沉淀法是如下的一种方法：在该方法中，将溶于另一疏水性溶剂中的亲脂性或高分子药物滴加到在疏水性溶剂中搅拌的亲水性溶剂中，从而由两个溶剂相之间的胶体悬浮物形成纳米颗粒。可以通过两种溶剂的搅拌速度、高分子药物的亲脂性的程度、和高分子滴注速率来控制该工艺中的合成颗粒的属性。在这种情况下，由搅拌的入口的非线性的和不可预测的流来决定颗粒尺寸，这导致多分散性，并且在各批次间具有很大差异，使得难以可再现地合成和生产纳米颗粒，因此需要若干额外的步骤来使合成的纳米颗粒均匀化。
3、最近，微流体技术已被应用于药物输送系统的开发，以控制强烈的微涡流流动，从而有效地形成药物载体。微流体技术被广泛应用于化学合成、化学和生物分子分析、组织工程、以及其他应用，因为该技术通过操纵少量的液体就可以精确地控制微环境(例如，纳米颗粒的尺寸、形状和表面组成)。特别地，微流体技术可以通过可再现地和连续地生产具有物理化学属性的各种组合的高质量纳米颗粒来优化纳米药物输送系统，并且还可以促进临床应用(例如促进或监测患者治疗过程中的药物输送、释放和消除的效果)。
4、然而，尽管有这些优点，大多数现有的微流体纳米药物合成方法仍然存在局限性，例如，因合成期间相对低的流速而导致的低生产率，以及难以混合不同的液体物质。此外，最近已经致力于通过增加微流体中的流速来克服这些限制，但是它们仅限于通过简单的直线和曲线结构来形成不受控制的微涡流，这限制了亲水性物质的混合，并且使得难以实现疏水性物质和亲水性物质的有效混合。因此，合成纳米颗粒的生产率低，或者所生产的纳米颗粒的尺寸在数百纳米至数微米的范围内，这对其作为纳米药物的应用构成了显著的限制，因为必须均匀地生产它们，以获得200纳米或更小的尺寸，从而将它们用作有效的药物输送载体。
5、[用于解决问题的装置]
6、因此，本发明的发明人已经发现了一种新型设备，该设备能够通过调节流体的流速来控制所生产的纳米颗粒的尺寸，并且能够获得高产率的同性质的纳米颗粒，从而完成了本发明。
7、本发明提供了一种用于生产纳米颗粒的新型设备，其包括：多个入口通道，该多个入口通道分别地引入疏水性物质和亲水性物质；混合通道，物质在该混合通道中混合，以生产纳米颗粒；以及出口通道，所生产的纳米颗粒通过该出口通道排出，其中混合通道包括能够增强所引入的物质的混合效率的微柱(micropost)。
8、本文使用的术语“混合效率(mixeff)”是以百分比表示的值，该值基于以下事实：各自具有1质量分数的疏水性物质和亲水性物质在通道中彼此混合，并最终汇聚成0.5质量分数，计算公式如下。
9、
10、此时，massfract指的是质量分数，质量分数越接近0.5，混合效率按比例地越高。
11、如本文所用的术语“设备”或“微流体设备”是指包括通道的设备，该通道被设置成允许流体在由包括塑料、玻璃、金属或硅的各种材料制成的基底上流动。
12、在本发明的设备中，疏水性物质和亲水性物质可以分别地通过不同的入口通道引入。在此，优选地，可以在与混合通道中的流体的流动方向相同的方向上引入疏水性物质，可以在与混合通道中的流体的流动方向不同的方向上引入亲水性物质。
13、在其中引入疏水性物质的入口通道可以是一个或多个，并且在其中引入亲水性物质的入口通道可以是一个或多个。优选地，本发明的设备可以包括在其中引入疏水性物质的一个入口通道和在其中引入亲水性物质的两个入口通道。
14、如本文所用的术语“微柱”是指破坏混合通道内的直线的流体流的结构。本发明的微柱是一种用于通过形成微涡流而对引入到设备中的流体进行高效混合的结构，其可以是任意形状，优选为柱状。微柱可以被设计成使得撞击微柱的流体流分离或弯曲，或者将它们与不同的流合并。微柱可以被设计成保持流体的主流并防止流停滞，并且例如可以相对于流体流的方向以直角与流体相交。
15、本发明的微柱具有能够改变流体流的边缘的形状，可以是多面体、截头多面体、多边形柱及其变形形状，优选为正方形柱。此外，当在沿着混合通道内的流体的流动方向切割的截面中观察时，其可以是多边形或其变形形状，并且优选地，其为矩形，该矩形具有在与流体的流动方向垂直的方向(水平)上的一侧和在与混合通道内的流体的流动方向相同的方向(竖直)上的一侧。
16、在本发明中，“混合通道中的流体的流动方向”或“混合通道中的流动方向”是指流体在设备内从入口通道流向出口通道的方向。优选地，通过布置在与混合通道中的流动方向相同的方向上的入口通道引入疏水性物质，并且通过布置在与混合通道中的流动方向垂直的方向上的入口通道引入亲水性物质。
17、本发明的微柱可以被布置成沿着流体在混合通道中的流动方向的一行或多行。具体地，微柱可以被布置为沿着流体流的方向的一行、两行、三行、四行、五行或六行或更多行，优选地可以被布置为六行。
18、可以将本发明的微柱布置在一个或多个单元中，这些单元位于与混合通道中的流体的流动方向不同的方向上(优选地在正交的方向上)的单个行内。存在于每行中的微柱的数量可以是相同的，或者可以在行与行之间变化。
19、在本发明中，微柱可以相对于相邻行中的微柱以交替的方式布置。如本文所用的术语“以交替方式布置”意指多个行中的微柱不是在流体的流动方向上对齐成直线，或不是布置成在流体的流动方向上的单个的平行的行。相反，当在流体的流动方向上观察时，布置在一行中的微柱可以被定位成部分地或完全地阻挡布置在相邻行中的微柱之间的间隙。
20、在本发明中，微柱可以具有200至800μm的高度，并且微柱可以连接到或可以不连接到形成混合通道的壁。
21、在本发明中，“入口体积流速比”是指含有亲水性物质的流体的入口体积流速与含有疏水性物质的流体的入口体积流速之比。
22、在本发明中，术语“流动阻塞比”是指沿着混合通道中的流体的流动方向的第一行中的微柱的宽度相对于整个通道的宽度的比率。
23、通常，设备内的流速可以用雷诺数(re)来表示，雷诺数是表示惯性力与粘性力之比的无量纲数，计算公式如下：
24、
25、在此，dh是微流体设备内的水力直径，ρ、μ、v和q分别表示流体的密度、动态粘度、速度和流速。因此，随着雷诺数的增加，流速成比例地增加。
26、本发明的设备中的雷诺数可以为500或更少，优选为10至300，更优选为12.5至200，最优选为50至100。当雷诺数超过500时，在设备内形成类似湍流的流，使得不生成可控的涡流模式，并且因高流速引起的溶剂和物质之间的剪切力的增加可能导致原料药物质和生成的纳米颗粒的不稳定性。当雷诺数为300或更多时，设备内开始发生不可控制的混沌流，使得用于生产均匀的纳米颗粒的质量控制变得困难。另一方面，当雷诺数低至10或更少时，该过程变得依赖于扩散，使得难以实现疏水性物质和亲水性物质的有效混合，进而难以获得与常规的纳米颗粒合成方法相比更优异的生产率。
27、本发明的设备可以通过改变雷诺数来调节颗粒尺寸。
28、此外，本发明提供了使用该设备生产包括疏水性物质和亲水性物质的纳米颗粒的方法。
29、具体地，本发明提供了一种使用包括多个入口通道、一个混合通道和一个出口通道的设备来生产包括疏水性物质和亲水性物质的均匀的纳米颗粒的方法，该方法包括：(a)将疏水性物质和亲水性物质引入到入口通道中的每一个中，(b)使这些物质与混合通道中的微柱碰撞，以形成涡流，从而产生纳米颗粒，以及(c)通过出口通道排出所生产的纳米颗粒。
30、本发明的疏水性物质可以是选自由以下物质组成的组中的一种或多种：聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)、聚乙二醇(peg)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(dspe-peg)、1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱(dopc)、鸡蛋磷脂酰胆碱(epc)、二月桂酰基磷脂酰胆碱(dlpc)、1,2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(dmpc)、二棕榈酰基磷脂酰胆碱(dppc)、二硬脂酰基磷脂酰胆碱(dspc)、1-肉豆蔻酰基-2-棕榈酰基磷脂酰胆碱(mppc)、1-棕榈酰基-2-肉豆蔻酰基磷脂酰胆碱(pmpc)、1-棕榈酰基-2-硬脂酰基磷脂酰胆碱(pspc)、1-硬脂酰基-2-棕榈酰基磷脂酰胆碱(sppc)、1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(dapc)、1,2-二花生酸酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(dbpc)、1,2-二十二碳酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(depc)、棕榈酰油酰基磷脂酰胆碱(popc)、溶血磷脂酰胆碱、二亚油酰基磷脂酰胆碱、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺(dspe)、二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺(dmpe)、二棕榈酰基磷脂酰乙醇胺(dppe)、棕榈酰油酰基磷脂酰乙醇胺(pope)、溶血磷脂酰乙醇胺、n1-[2-((1s)-1-[(3-氨丙基)氨基]-4-[二(3-氨丙基)氨基]丁基甲酰胺基)乙基]-3,4-二[油酰氧基]-苯甲酰胺(vl-5)、双十八烷酰胺基甘氨酰精胺四氟乙酸盐(dogs)、3β-[n-(n',n'-二甲基氨基乙基)-氨基甲酰]胆固醇(dc-chol)、1,2-二-o-十八碳烯基-3-三甲基铵丙烷(dotma)、1,2-二油酰基-3-三甲基铵丙烷(dotap)、(1,2-二油酰氧丙基)-3-二甲基羟乙基溴化铵(dorie)、1,2-二肉豆蔻氧丙基-3-二甲基羟乙基溴化铵(dmrie)、2,3-二油酰氧基-n-[2(精胺甲酰胺基)乙基]-n,n-二甲基-1-丙铵三氟乙酸盐(dospa)、n-(3-氨丙基)-n,n-二甲基-2,3-双(十二烷氧基)-1-丙铵溴化物(gap-dlrie)、n-叔丁基-n'-十四烷基-3-十四烷基氨基丙脒(dic14-amidine)、乙基磷酸胆碱(ethyl pc)、二甲基双十八烷基溴化铵(ddab)、n4-胆固醇基-精胺(gl67)、1,2-二油酰氧基-3-二甲基氨基丙烷(dodma)、d-lin-mc3-dma(mc3，dlin-mc3-dma)、dlin-kc2-dma及dlin-dma，并且可以包括但不限于高分子量疏水性物质和低分子量疏水性物质两者。
31、本发明的亲水性物质可以是蛋白质或聚合物，优选为载脂蛋白，更优选为载脂蛋白a或e。
32、可以使用本发明的设备和根据本发明的生产方法来生产包含磷脂、载脂蛋白和聚合物的纳米颗粒。
33、[有益效果]
34、本发明的设备和使用该设备的用于生产纳米颗粒的方法具有以下效果：在单个步骤中连续地合成具有均匀尺寸的纳米颗粒，并且由于批次间的可变性低而大规模地生产具有一致特性的纳米颗粒。由此获得的纳米颗粒表现出优异的颗粒均匀性，并且由于它们不包含额外的组分(如表面活性剂)，可以有利地用作药物或药物输送载体。