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.

We report selective ionic transport through controlled, high-density, subnanometer diameter pores in macroscopic single-layer graphene membranes. Isolated, reactive defects were first introduced into the graphene lattice through ion bombardment and subsequently enlarged by oxidative etching into permeable pores with diameters of 0.40 ± 0.24 nm and densities exceeding 1012 cm–2, while retaining structural integrity of the graphene. Transport measurements across ion-irradiated graphene membranes subjected to in situ etching revealed that the created pores were cation-selective at short oxidation times, consistent with electrostatic repulsion from negatively charged functional groups terminating the pore edges. At longer oxidation times, the pores allowed transport of salt but prevented the transport of a larger organic molecule, indicative of steric size exclusion. The ability to tune the selectivity of graphene through controlled generation of subnanometer pores addresses a significant challenge in the development of advanced nanoporous graphene membranes for nanofiltration, desalination, gas separation, and other applications.

We report a nanofluidic transistor based on a metal-oxide-solution (MOSol) system that is similar to a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET). Using a combination of fluorescence and electrical measurements, we demonstrate that gate voltage modulates the concentration of ions and molecules in the channel and controls the ionic conductance. Our results illustrate the efficacy of field-effect control in nanofluidics, which could have broad implications on integrated nanofluidic circuits for manipulation of ions and biomolecules in sub-femtoliter volumes.

The genomic revolution has identified therapeutic targets for a plethora of diseases, creating a need to develop robust technologies for combination drug therapy. In the present work, we describe a self-assembled polymeric nanoparticle (NP) platform to target and control precisely the codelivery of drugs with varying physicochemical properties to cancer cells. As proof of concept, we codelivered cisplatin and docetaxel (Dtxl) to prostate cancer cells with synergistic cytotoxicity. A polylactide (PLA) derivative with pendant hydroxyl groups was prepared and conjugated to a platinum(IV) [Pt(IV)] prodrug, c,t,c-[Pt(NH(3))(2)(O(2)CCH(2)CH(2)COOH)(OH)Cl(2)] [PLA-Pt(IV)]. A blend of PLA-Pt(IV) functionalized polymer and carboxyl-terminated poly(D,L-lactic-co-glycolic acid)-block-poly(ethylene glycol) copolymer in the presence or absence of Dtxl, was converted, in microfluidic channels, to NPs with a diameter of ∼100 nm. This process resulted in excellent encapsulation efficiency (EE) and high loading of both hydrophilic platinum prodrug and hydrophobic Dtxl with reproducible EEs and loadings. The surface of the NPs was derivatized with the A10 aptamer, which binds to the prostate-specific membrane antigen (PSMA) on prostate cancer cells. These NPs undergo controlled release of both drugs over a period of 48-72 h. Targeted NPs were internalized by the PSMA-expressing LNCaP cells via endocytosis, and formation of cisplatin 1,2-d(GpG) intrastrand cross-links on nuclear DNA was verified. In vitro toxicities demonstrated superiority of the targeted dual-drug combination NPs over NPs with single drug or nontargeted NPs. This work reveals the potential of a single, programmable nanoparticle to blend and deliver a combination of drugs for cancer treatment.

In vitro incubation of nanomaterials with plasma offer insights on biological interactions, but cannot fully explain the in vivo fate of nanomaterials. Here, we use a library of polymer nanoparticles to show how physicochemical characteristics influence blood circulation and early distribution. For particles with different diameters, surface hydrophilicity appears to mediate early clearance. Densities above a critical value of approximately 20 poly(ethylene glycol) chains (MW 5 kDa) per 100 nm2 prolong circulation times, irrespective of size. In knockout mice, clearance mechanisms are identified for nanoparticles with low and high steric protection. Studies in animals deficient in the C3 protein showed that complement activation could not explain differences in the clearance of nanoparticles. In nanoparticles with low poly(ethylene glycol) coverage, adsorption of apolipoproteins can prolong circulation times. In parallel, the low-density-lipoprotein receptor plays a predominant role in the clearance of nanoparticles, irrespective of poly(ethylene glycol) density. These results further our understanding of nanopharmacology.Understanding the interaction between nanoparticles and biomolecules is crucial for improving current drug-delivery systems. Here, the authors shed light on the essential role of the surface and other physicochemical properties of a library of nanoparticles on their in vivo pharmacokinetics.

We demonstrate rectification of ionic transport in a nanofluidic diode fabricated by introducing a surface charge discontinuity in a nanofluidic channel. Device current-voltage (I-V) characteristics agree qualitatively with a one-dimensional model at moderate to high ionic concentrations. This study illustrates ionic flow control using surface charge patterning in nanofluidic channels under high bias voltages.

Development of technologies for water desalination and purification is critical to meet the global challenges of insufficient water supply and inadequate sanitation, especially for point-of-use applications. Conventional desalination methods are energy and operationally intensive, whereas adsorption-based techniques are simple and easy to use for point-of-use water purification, yet their capacity to remove salts is limited. Here we report that plasma-modified ultralong carbon nanotubes exhibit ultrahigh specific adsorption capacity for salt (exceeding 400% by weight) that is two orders of magnitude higher than that found in the current state-of-the-art activated carbon-based water treatment systems. We exploit this adsorption capacity in ultralong carbon nanotube-based membranes that can remove salt, as well as organic and metal contaminants. These ultralong carbon nanotube-based membranes may lead to next-generation rechargeable, point-of-use potable water purification appliances with superior desalination, disinfection and filtration properties. Absorption-based water purification technologies are simple to use but can be hindered by their low salt removal capacity. Here, the authors report ultralong carbon nanotubes modified by plasma treatment, capable of salt adsorption two orders of magnitude higher than state-of-the-art carbon-based systems.

Nanoparticles targeted to the neonatal Fc receptor cross the intestinal epithelium and reach systemic circulation after oral administration.

We report graphene composite membranes with nominal areas more than 25 mm2 fabricated by transfer of a single layer of CVD graphene onto a porous polycarbonate substrate. A combination of pressure-driven and diffusive transport measurements provides evidence of size-selective transport of molecules through the membrane, which is attributed to the low-frequency occurrence of intrinsic 1–15 nm diameter pores in the CVD graphene. Our results present the first step toward the realization of practical membranes that use graphene as the selective material.

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.