Desarrollo de métodos microfluídicos para la generación de nanopartículas funcionalizadas para vehiculizar activos en productos farmacéuticos y suplementos nutricionales

Abstract

Las formulaciones de nanopartículas (NPs) con propiedades funcionales y fisicoquímicas particulares tiene un gran interés tanto en el sector alimentario como en la industria farmacéutica. Las técnicas microfluídicas permiten la implementación de procesos continuos y de baja energía, con transferencia de masa rápida y mezcla homogénea a microescala. En particular, la técnica microfluídica que permite el autoensamblaje y la nanoprecipitación controlada es el enfoque de flujo hidrodinámico, que implica el coflujo de dos o más corrientes de líquido. Las corrientes laterales estrechan la corriente central, lo que permite una rápida difusión de las moléculas que desencadenan la generación de NPs homogéneas. En este contexto, esta tesis trata sobre el diseño y fabricación de dispositivos microfluídicos destinados a la producción de NPs para transportar bioactivos. El control del ancho de la corriente enfocada es esencial para la implementación de la nanoprecipitación microfluídica. Para ello se implementó una plataforma de flujo impulsado por presión hidrostática para un control más preciso. Un aspecto importante es que las propiedades fisicoquímicas de los fluidos de trabajo impactan en la presión proporcionada por las columnas hidrostáticas, así como en el patrón de enfoque hidrodinámico. Para ambos fenómenos, se desarrollaron modelos matemáticos simples para predecir el ancho de la corriente enfocada en función de la altura de las columnas de líquido, considerando ciertos parámetros operativos críticos. Finalmente, se llevó a cabo la generación y caracterización de NPs de α-lactoalbúmina cargadas con curcumina, utilizando un dispositivo de flujo coaxial que desarrolla un flujo tipo núcleo-vaina y una plataforma de flujos impulsados por gravedad.

The formulation of nanoparticles (NPs) with particular functional and physicochemical properties has great interest for applications in both the food sector and the pharmaceutical industry. Microfluidic techniques enable the implementation of low energy and continuum processes, with fast mass transfer and homogeneous mixing at the microscale. In particular, the microfluidic technique that allows self-assembly and controlled nanoprecipitation is the hydrodynamic flow focusing, which involves the coflow of two or more liquid streams. The side streams squeeze the central current to a very narrow stream, allowing rapid diffusion of the molecules that trigger homogeneous NPs generation. In this context, this Thesis deals with the design and manufacture microfluidic devices aimed at the production of NPs to transport bioactives. Controlling of the width of the focused stream is essential for the implementation of microfluidic nanoprecipitation. For this purpose, a platform for controlled hydrodynamic flow focusing driven by hydrostatic pressure was implemented. An important aspect is that the physicochemical properties of the working fluids impact on the pressure provided by the hydrostatic columns, as well as on the hydrodynamic focusing pattern. For both phenomena, simple mathematical models were developed to predict the width of the focused stream as a function of the height of the liquid columns, considering certain critical operating parameters. Finally, the generation and characterization of curcumin-loaded α-lactalbumin NPs was carried out, through the combination of a coaxial flow device that develops a core-sheath type flow and a robust platform to handle gravity-driven flows.