Qual è la sfida?

La nanoprecipitazione è il metodo più utilizzato per la preparazione di nanoparticelle polimeriche per il rilascio di farmaci (drug delivery), ma fino ad oggi, la riproducibilità dei principali parametri di caratterizzazione dimensionale delle particelle – il diametro medio e la larghezza della distribuzione – rappresentava un problema a causa della variabilità intrinseca dei processi di preparazione in batch.
Il professore Nicola Tirelli, ricercatore a capo del Laboratorio di Polimeri e Biomateriali dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, illustra i benefici della sintesi chimica in flusso continuo nell’ambito del drug delivery.

L’importanza dell’uniformità

Una produzione affidabile e riproducibile di nanoparticelle di diametro uniforme è un assunto essenziale della ricerca in drug delivery, in quanto la dimensione delle particelle influenza l’assorbimento cellulare e dunque l’efficacia terapeutica. Particelle di dimensioni diverse potranno anche diffondere all’interno dei tessuti a velocità diverse, raggiungendo il target biologico in momenti diversi.
“La criticità risiede nel minimizzare la larghezza della distribuzione dimensionale, preparando nanoparticelle il più omogenee possibile, non solo in composizione e in quantità di farmaco incapsulato ma anche in dimensione. Se il nanomateriale viene prodotto durante una fase di miscelazione non perfettamente controllata è probabile che vengano prodotte nanoparticelle di dimensioni diverse”.

La sintesi chimica in flusso consente un miglior controllo dei parametri di reazione

“Un’ampia distribuzione dimensionale è un problema particolarmente sentito nel processi in batch”.

La preparazione in batch risulta abbastanza semplice da implementare e consente di produrre grandi quantità di materiale in un tempo breve. Tuttavia, il processo di miscelazione deve essere attentamente controllato per creare nanoparticelle in modo riproducibile – un’ampia distribuzione dimensionale è un problema corrente nei processi batch – e la difficoltà di riprodurre le stesse identiche condizioni di miscelazione turbolente è intrinseca al processo batch.
“Se la reazione avviene in un reattore equipaggiato da agitatore magnetico o meccanico, il livello delle turbolenze spesso varia quando si aggiunge un secondo liquido e si mescolano i 2 fluidi; anche un elemento semplice come la distanza tra il magnete e il punto di iniezione della fase organica può portare a enormi differenze al processo di miscelazione. I reattori microfluidici offrono un ottimo e riproducibile controllo dei parametri di reazione e consentono di miscelare con precisione piccole quantità di materiale in condizioni di flusso laminare all’interno di micro-canali di dimensioni inferiori a 1.000 μm di larghezza.

La soluzione

La dimensione influenza il meccanismo di assorbimento cellulare e dunque l’efficacia terapeutica.

Secondo l’opinione del Professor Tirelli, il sistema Asia della rivoluzionaria gamma di prodotti Syrris per la chimica a flusso è il sistema ideale per la produzione e l’ottimizzazione rapida della sintesi di nanoparticelle, in grado di offrire una miscelazione rapida e riproducibile, un eccellente trasferimento di calore e un accurato controllo della temperatura.
“Il sistema Asia ci offre un miglior controllo delle reazioni rispetto ai processi di batch chemistry, consentendoci di produrre nanomateriali con una distribuzione dimensionale molto più omogenea. Poiché le particelle hanno dimensioni più omogenee, hanno prestazioni costanti; ciò, da un punto di vista scientifico e tecnologico, rende più semplice l’interpretazione dei dati biologici. Anche il trasferimento del processo di preparazione allo standard GLP (Good Laboratory practices), o addirittura a quello GMP (Good manufacturing practices) – essenziale per il potenziale trasferimento clinico del prodotto – viene reso più semplice.
Sebbene si producano così quantità di prodotto inferiori, è sempre possibile eseguire la reazione in flusso continuo più a lungo per produrre maggiori quantità di materiale; inoltre un ulteriore scale-up può essere realizzato operando in parallelo diversi reattori.”

I risultati

Il sistema di sintesi chimica a flusso Asia della Syrris offre la riproducibilità e il controllo di cui ha bisogno il professor Tirelli per sviluppare le sue nanoparticelle per drug delivery, tuttavia i reattori batch conservano un ruolo importante.
“La semplicità d’uso dei reattori batch li rende ideali quando si indaga su nuovi materiali o condizioni sperimentali, consentono di effettuare screening iniziali, senza correre il rischio, ad esempio, di bloccare i canali microfluidici. Dopo aver perfezionato le condizioni di nanoprecipitazione in batch, viene trasferito ed ottimizzato il processo nel sistema Asia, assicurando una migliore riproducibilità e il controllo della distribuzione dimensionale e del diametro medio delle nanoparticelle. I due metodi, batch e flow, sono complementari ed entrambi fondamentali per raggiungere i nostri obiettivi di ricerca.”