Microfluidics as a bottom‐up technique for drug delivery nanoparticles 

Maria Helena A. Zanin and Mario R. Gongora‐Rubio

Center for Process and Products Technology 

Chemical Processes and Particle Technology Laboratory

CTPP‐LPP

Summary

Particle and encapsulation technology at IPT

Technological solutions to active encapsulation 

Microfluidics

Microfluidics as a bottom‐up nanofabrication technique

Current work in microfluidics at IPT

Technological perspectives

Technology team

ActivesActives

drugs, fragrances, flavours, minerals, 

vitamins, colorants, pesticides

Objectives

Controlled release or not 

Protection against external agents

Reduction of losses to the environment

Others

Encapsulation ?

 FOOD  

INDUSTRY 

TEXTILE INDUSTRY 

COSMETIC  INDUSTRY 

PHARMACEUTICAL INDUSTRY 

AGROCHEMISTRYINDUSTRY 

Encapsulation: Technology of industrial interest

How to choose the encapsulation technique?

Points to be considered

Active agent 

Polymer

Physical and phisico‐chemical property of active and polymer

Compatibility of polymer and active

Route of active agent delivery

Scalable process

Cost

Spray drying

Coacervation

Emulsion/solvent extraction

Gelification  

Polymerisation

Electrospinning

Microfluidics

Technology

Micro‐nanoencapsulation at IPT

Technological solutionTechnological solutionss to to active encapsulation at IPTactive encapsulation at IPT

Spray‐dryerMicroencapsulation of poliminerals to the food industry

PPrrevious work: Industrial and governmentevious work: Industrial and governmentalal fundingfunding

Complex coacervation

Microcapsules containing vitamin to the cosmetic application

Previous work: Industrial funding

Emulsification and solvent evaporation

Study  of  nanocarries  to  encapsulate  drug  to  application  in  fotodynamic  therapy  of 

cancer

Current project: government funding (FAPESP/IPT)Current project: government funding (FAPESP/IPT)

dissolved

dispersed80%PHBHV-20%PEG

80%PHBHV-20%PLA

2000x

Emulsification and solvent evaporationVitamin encapsulationVitamin encapsulation

Previous work: Industrial and government fundingPrevious work: Industrial and government funding

Emulsification ‐ solid lipidic nanoparticlesDevelopment of nanocarries based on wax to encapsulate Development of nanocarries based on wax to encapsulate benzophenonebenzophenone‐‐33 to cosmetic to cosmetic application.  Previous work: Doctorare thesisapplication.  Previous work: Doctorare thesis

Government  funding Government  funding ‐‐ CNPqCNPq

H2O + Surfactant(85± 5°C)

Agitation Buffer solution 7.4 (5% Tween 80)

Active+melted Lipid (85± 5°C)

High pressure homogeneizer (HPH) 

(600bar)

Franz diffusion cell

HPLC

Interfacial polimerization

Micro/nanocapsules  containing  pesticides  to  the  veterinary  and  agrochemical 

application.  Previous work: Industrial fundingPrevious work: Industrial funding

Emulsification and solvent difusion

Thermosensitive nanoparticle to carry actives

Previous work: Doctorate thesis Previous work: Doctorate thesis ‐‐ Government  funding Government  funding –– FAPESP/IPT FAPESP/IPT –– Patent Patent 

number. PI 0902050number. PI 0902050‐‐00

Electrospinning

Development of nanofibers by electrospinning process using biocompatible polymer 

to incorporate drugs. Current project: Government  funding : Government  funding –– CNPq/IPTCNPq/IPT.

B.K. Paul, PNNL,2004

Microfluidics applications

Microreactors for:• Transesterification (Biodiesel)• Reformers•Catalytic material screening •Hydrogenation

Microreactors for:•Microcrystallization• NanoPrecipitation•Micro‐Nano Encapsulation

• MicroFluidics for water treatment 

and Microsensors

•Biosensors

• Micromixers • Continuous separators• Micro‐destillation• Heat exchangers

Definition

Microfluidic  is a science   of designing   and manufacturing devices    in a microscale  ,  dealing with  volumes  of  fluids  on  order  of  nanoliters  or picoliters.

Using microfabrication techniques is possible to manufacture devices in materials such as silicon, glasses, polymers and ceramics.

Advantages  such as  low  reagents and energy  consumption, portability  and safety are feasible In the microscale.

Microfluidic  devices  have  applications  in  Pharmaceutics,  Chemical Analysis, Chemical  Processes and Food Engineering.

Microfluidics

Laminar Flow – Low Reynolds Number;

Surface forces are dominant over volume forces;

Capillarity and interface phenomena are present over inertial and gravitational phenomena;

Mass transfer are dominated by diffusion.

Microfluidics

Physical characteristics

Microfluidics as bottom‐up technique 

Bottom‐up or Top‐down ?

Bottom-upTop-down

Microfluidic utilization for particle morphological control

R. K. Shaha, et al. Materials Today, vol 11, number 4, April 2008.

Scale out in microfluidics

Microfluidics scaling of production is obtained by using the same devices in parallel.

Scale-Up Scale-out

Microprocesses             Nanoparticles

By  combining  geometry  design  of microchannels  and  fluid flow rate is possible to obtain particles with high size control, reproducibility and low polidispersivity.

Microfluidics is  a  powerful tool  to  obtain  particles  in micro and nanoscale and for encapsulate drugs based on:

Emulsions (simple & double) 

Liposomes

Nanocrystals

Microfluidics

EmulsionsBatch Vs Continuous

Microfluidic devices Mineral Oil

Mineral Oil

Polymeric Solution 

Drop  Outlet 

Mineral Oil 

Polymeric  Solution

Droplet Oulet 

Current works in Current works in microfluidics at IPTmicrofluidics at IPT

Emulsion generators using glass devices

Simple emulsion production (Water-oil) and droplet size Vs. input flow ratio

J. N. Schianti, et al. Emulsion production using glass microfluidic devices, Proc: IBERSENSOR 2010

(DCM/BD1/Q36)

Micrographs of PLGA (Poly (DL‐lactide co‐glycolide) ) microspheres  containing BSA (Bovine serum albumin )   ( 750x)

Micro and nanoparticles with micromixers

0

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250Time (hours)

Rel

ease

d B

SA (%

)

Micromixer ED2 Micromixer BD1 Conventional mechanical agitation

M. Ribeiro‐Costa, et al. Preparation of protein‐loaded‐PLGA microspheres by an emulsion/solvent evaporation process employing LTCC micromixers,  Powder Technology Vol‐190, p.107–111, (2009) 

Comparison between Turrax agitation and micromixer particles obtained using micromixers.

BOTTOM - UP

Liposome

Microfluidic Hydrodynamic Focusing

Nanoliposome production via microfluidics

J. N. Schianti, et al. Glass flow focusing microfluidic device for nanoliposome production, Proc: IBERSENSOR 2010

BOTTOM - UP

Nanocrystals  

Microfluidic Flow Focusing

Crystallization process to obtain rifampicin amorphous nanoparticles

Nanocrystallization process by microfluidics

Technological perspectives

Microfabrication of unit operation devices for chemical process intensification, including  synthesis of micro and nanoparticles for feasible products.

Microfabrication of devices adapted to the encapsulation process in order to design capsule or emulsion with size and morphology controlled in continuous process.

Introduction of new microfluidic techniques for production of drug delivery nanostructured particles.

Technology TeamCTPP ‐ Director Dr. Maria Filomena de A. Rodrigues (Filomena@ipt.br)

LPP Laboratory headDr. Wagner Aldeia (waldeia@ipt.br) 

Researcher (PhD)                                                 8Researcher (MSc.)                                                1Researcher                                                       6                           Laboratory technicians                                           5

StudentsPhD  student                                                     3Post  Doctorate 1

Thank you for your attention!!!