药物的作用主要取决于它们的化学成分，但是这些药物包装成特定的物理配方也需要按照确切的规格进行。例如，许多药物被包封在固体微粒中，其大小和形状决定了药物释放的时间和向身体特定部位的递送。

在设计这些药物微粒时，一致性是关键，但常见的药物制造技术，如喷雾干燥和球磨，会产生不均匀的结果。理想的方法涉及微流体，这是一种液体装配线，可以一次一个地滴出完美尺寸的微粒。

宾夕法尼亚大学的工程师现在开发了一种微流体系统，其中有超过一万个这样的设备并行运行，所有这些设备都采用硅胶和玻璃芯片，可以放入衬衫口袋中。

扩大微流体系统是一项重大挑战，因为它们依赖于严格控制的流速来生产尺寸一致的颗粒。Penn团队的创新是新的流体结构，使用用于制造计算机芯片的技术构建，从而使得能够以比以往更快的速度制造这些药物颗粒的系统。

由工程和应用科学学院生物工程系助理教授David Issadore和实验室博士后研究员Sagar Yadavali领导的团队在Nature Communications杂志上概述了他们系统的设计。化学与生物分子工程系教授Daeyeon Lee和他实验室研究生Heon-Ho Jeong为该研究做出了贡献。

Penn团队目前正与GlaxoSmithKline的研究调查员David Lai一起测试他们的系统。

目前的药物微粒制造技术包括从喷嘴以液体形式喷射它们并让它们干燥，或者在滚筒中向下研磨较大的固体颗粒。然而，由于微粒是整体制造的，因此它们的尺寸和形状可能存在显着变化。

“这些制造问题意味着大量的时间和金钱花在减少尺寸上，”Yadavali说。“这会导致更高的成本。”

微流体为这些问题提供了潜在的解决方案。通过在微观通道和腔室的网络中合成药物，可以精细地调节表面张力和阻力以产生具有一致尺寸和形状的颗粒。但是，这些微型器件的工作速度存在固有的局限性。

“增加微流体吞吐量的瓶颈是一个基本的物理问题，”Issadore说。“我们不能比任何其他实验室更快地运行单个微流体装置，因为能够精确制造药物微粒的微流体现象在临界流速以上停止工作? - 它们从制造气泡到制造不稳定的喷射。”

典型的流速是每小时毫升，太慢而无法在工业环境中使用。由于增加流量不是一种选择，因此扩大生产的唯一方法是增加设备数量。

以前大规模并行化的尝试与另一次权衡取得了挣扎。为了将流量均匀地分配到芯片上的所有设备，每个单独的设备必须具有相对于沿其供给的输送通道的压降的大的压降。这导致每个设备运行速度比单独进给时慢。

宾夕法尼亚大学的研究人员通过将设备分成两个，一个提供所需压降的组件和另一个提供颗粒的下游组件来解决这个问题。这允许并行地并入许多设备而不影响每个设备的吞吐量。

“通过在每个设备的上游安装高纵横比流量电阻器，”Yadavali说，“我们可以将单个液滴设计与系统级设计分离。这样我们就可以将任何类型的微流体粒子发生器与我们想要的一样，并且因为我们可以放到芯片上。“

使用光刻技术将10,260个器件同时蚀刻成4英寸硅片，将其夹在两块玻璃板之间以制作空心通道，并连接其单组入口和出口，Penn团队的系统产生的有效流速超过比微流体装置通常实现的速度快一万倍。

Penn团队首先通过制造简单的水包油滴来测试他们的系统，每小时超过1万亿次液滴。为了用与药物制造更相关的材料来证明它，他们还用聚己内酯制备了生物相容性微粒，其速度为每小时约3280亿个颗粒。

“药物可以混合到聚己内酯微粒中，因此当颗粒溶解时，可以逐渐释放受控量的药物，”Sagar说。“药物离开颗粒的速度取决于颗粒大小，这就是为什么具有一致的尺寸非常重要的原因。”