A central challenge in the development of drug-encapsulated polymeric nanoparticles is the inability to control the mixing processes required for their synthesis resulting in variable nanoparticle physicochemical properties. Nanoparticles may be developed by mixing and nanoprecipitation of polymers and drugs dissolved in organic solvents with nonsolvents. We used rapid and tunable mixing through hydrodynamic flow focusing in microfluidic channels to control nanoprecipitation of poly(lactic- co-glycolic acid)- b-poly(ethylene glycol) diblock copolymers as a model polymeric biomaterial for drug delivery. We demonstrate that by varying (1) flow rates, (2) polymer composition, and (3) polymer concentration we can optimize the size, improve polydispersity, and control drug loading and release of the resulting nanoparticles. This work suggests that microfluidics may find applications for the development and optimization of polymeric nanoparticles in the newly emerging field of nanomedicine.

Intracellular delivery of macromolecules is a challenge in research and therapeutic applications. Existing vector-based and physical methods have limitations, including their reliance on exogenous materials or electrical fields, which can lead to toxicity or off-target effects. We describe a microfluidic approach to delivery in which cells are mechanically deformed as they pass through a constriction 30-80% smaller than the cell diameter. The resulting controlled application of compression and shear forces results in the formation of transient holes that enable the diffusion of material from the surrounding buffer into the cytosol. The method has demonstrated the ability to deliver a range of material, such as carbon nanotubes, proteins, and siRNA, to 11 cell types, including embryonic stem cells and immune cells. When used for the delivery of transcription factors, the microfluidic devices produced a 10-fold improvement in colony formation relative to electroporation and cell-penetrating peptides. Indeed, its ability to deliver structurally diverse materials and its applicability to difficult-to-transfect primary cells indicate that this method could potentially enable many research and clinical applications.

The right combination for protection Despite its prevalence, no vaccine exists to protect against infection with the sexually transmitted bacterium Chlamydia trachomatis . Stary et al. now report on one potential vaccine candidate (see the Perspective by Brunham). Vaccinating with an ultraviolet light-inactivated C. trachomatis linked to adjuvant-containing charged nanoparticles protected female conventional and humanized mice against C. trachomatis infection. The vaccine conferred protection only when delivered through mucosal routes. Protection relied on targeting the bacteria to a particular population of immunogenic dendritic cells and inducing memory T cells that resided in the female genital tract. Science , this issue 10.1126/science.aaa8205 ; see also p. 1322

A key challenge in the synthesis of multicomponent nanoparticles (NPs) for therapy or diagnosis is obtaining reproducible monodisperse NPs with a minimum number of preparation steps. Here we report the use of microfluidic rapid mixing using hydrodynamic flow focusing in combination with passive mixing structures to realize the self-assembly of monodisperse lipid−polymer and lipid−quantum dot (QD) NPs in a single mixing step. These NPs are composed of a polymeric core for drug encapsulation or a QD core for imaging purposes, a hydrophilic polymeric shell, and a lipid monolayer at the interface of the core and the shell. In contrast to slow mixing of lipid and polymeric solutions, rapid mixing directly results in formation of homogeneous NPs with relatively narrow size distribution that obviates the need for subsequent thermal or mechanical agitation for homogenization. We identify rapid mixing conditions that result in formation of homogeneous NPs and show that self-assembly of polymeric core occurs independent of the lipid component, which only provides stability against aggregation over time and in the presence of high salt concentrations. Physicochemical properties of the NPs including size (35−180 nm) and ζ potential (−10 to +20 mV in PBS) are controlled by simply varying the composition and concentration of precursors. This method for preparation of hybrid NPs in a single mixing step may be useful for combinatorial synthesis of NPs with different properties for imaging and drug delivery applications.

Significance Limited treatment options exist for cancer within the bone, as demonstrated by the inevitable, pernicious course of metastatic breast, prostate, and blood cancers. The difficulty of eliminating bone-residing cancer necessitates novel, alternative treatments to manipulate the tumor cells and their microenvironment, with minimal off-target effects. To this end, we engineered bone-homing, stealth nanoparticles to deliver anticancer, bone-stimulatory drugs, and demonstrated their utility with bortezomib (a model drug) and multiple myeloma (a model cancer). To test our hypothesis that increasing bone volume and strength inhibits tumor growth, mice were treated with these nanoparticles before being injected with cancer cells. Results demonstrated significantly slower myeloma growth and prolonged survival. Our research demonstrates the potential of bone-homing nanomedicine as an efficacious cancer treatment mechanism.