3DMNMEMS sistema microelettromeccanico a microago cavo stampato in 3D per la somministrazione transdermica controllata e personalizzata di farmaci

I RICERCATORI STAMPANO IN 3D MICROAGHI CAVI PER LA SOMMINISTRAZIONE TRANSDERMICA CONTROLLATA DEI FARMACI

I ricercatori dell’Università del Kent e dell’Università di Strathclyde hanno sviluppato un nuovo dispositivo che combina stampa 3D, microaghi e sistemi microelettromeccanici (MEMS) per la somministrazione transdermica controllabile dei farmaci.

La somministrazione transdermica del farmaco si riferisce all’applicazione di un medicinale o di un farmaco attraverso la pelle, tipicamente utilizzando un cerotto adesivo. Per il loro metodo, i ricercatori hanno sviluppato un dispositivo composito costituito da un cerotto microago stampato in 3D, accoppiato con un MEMS, che consente il controllo diretto della somministrazione del farmaco da parte dell’utente.

Denominato 3DMNMEMS, il dispositivo è stato sviluppato con l’obiettivo predominante di personalizzare il trattamento clinico e lasciare in passato l’approccio “unico per tutti” alla somministrazione dei farmaci.

“I microaghi sono piccoli dispositivi di perforazione che interrompono lo strato più esterno e impermeabile della pelle per trasportare i farmaci direttamente nel microcircolo dermico”, ha detto Sophia Economidou, uno dei ricercatori dell’Università del Kent. “La loro dimensione in miniatura significa che la loro applicazione è indolore, affrontando problemi come il disagio del paziente e la fobia dell’ago.

“ANCHE I SISTEMI TRANSDERMICI MICRONEEDLE SONO AUTO-SOMMINISTRATI, ELIMINANDO LA NECESSITÀ DELL’INTERVENTO DI UN PROFESSIONISTA QUALIFICATO, RIDUCENDO COSÌ I COSTI DEL TRATTAMENTO.”

Tipicamente, i microaghi convenzionali sono prodotti tramite micromoulding, una tecnica difficile da personalizzare ed è associata a costi di attrezzaggio iniziali elevati. I ricercatori hanno anche osservato che la fabbricazione delle microstrutture interne all’interno dei propri microaghi non sarebbe fattibile utilizzando una tecnica di micromoulding.

Pertanto, i ricercatori si sono rivolti alla stampa 3D per consentire la fabbricazione in un unico passaggio, ripetibile e riproducibile del complesso dispositivo 3DMNMEMS. Inoltre, la stampa 3D consente una facile personalizzazione del dispositivo in base alla quale il produttore può adattare il design alle esigenze di un singolo paziente. I cerotti a microneedle possono anche essere prodotti su richiesta, eliminando il requisito di spazio di archiviazione all’interno di cliniche e laboratori.

La ricerca è stata intrapresa in questo settore in precedenza, ad esempio nel 2018 gli scienziati dell’Università del Texas a Dallas hanno sviluppato un nuovo metodo a basso costo per creare array di microneedle utilizzando una stampante 3D FFF. Da allora, i ricercatori della Rutgers University hanno utilizzato la micro-stereolitografia a proiezione per creare microaghi programmabili e bioispirati stampati in 4D che migliorano l’adesione dei tessuti.

Più recentemente, un team dell’Arizona State University e della University of Southern California ha sviluppato patch di microaghi stampati in 3D ispirati alla struttura gerarchica di una patella. I cerotti sono prodotti utilizzando la stampa 3D assistita da campo magnetico (MF-3DP) e in futuro potrebbero essere utilizzati per fornire farmaci indolore ai pazienti.

Microneedles stampati 4D con punte rivolte all’indietro che si incastrano con il tessuto quando vengono inserite, migliorando l’adesione. Foto via Rutgers University.
Stampa 3D della toppa con microneedle

Progettato utilizzando un software CAD standard, il cerotto a microneedle è costituito da alberi cavi in ​​microneedle e relativi fori, microcanali interni, un microriserva e un’apertura per l’alimentazione del fluido. I microaghi sono stati stampati in 3D utilizzando la stereolitografia e un polimero biocompatibile, tuttavia i ricercatori hanno scoperto che la loro struttura intricata e la necessità di stampe accurate e riproducibili metteva alla prova le capacità della stampante 3D.

In particolare, hanno osservato che era particolarmente difficile ottenere la necessaria nitidezza della punta e garantire che le microstrutture interne fossero libere da blocchi che potevano limitare il flusso del liquido.

“Nella microscala, l’effetto dei parametri di stampa sulla qualità del prodotto finale si intensifica, quindi abbiamo dovuto sviluppare e applicare una serie di passaggi di ottimizzazione che coinvolgono la personalizzazione dei parametri di stampa e gli adattamenti del design per ottenere il risultato richiesto e costruire un protocollo di stampa riproducibile “, Ha spiegato Economidou. “Vale la pena notare che il cerotto è stato progettato per essere facilmente adattato al MEMS qui impiegato, nonché a una tipica siringa”.

Per esplorare l’efficacia del dispositivo 3DMNMEMS in vivo, all’interno di un organismo vivente, i ricercatori lo hanno utilizzato per somministrare insulina a topi diabetici. Hanno quindi confrontato questo gruppo di topi con un altro gruppo trattato con un’iniezione della stessa quantità di insulina sotto la pelle.

Secondo Economidou, il 3DMNMEMS ha ottenuto una diminuzione più rapida dei livelli di glucosio nel sangue (un’ora) mentre l’iniezione ha impiegato tre ore per fornire lo stesso effetto ipoglicemico. I risultati hanno anche mostrato che la concentrazione di insulina del gruppo trattato con il dispositivo era più sostenuta nel tempo, come risultato dell’ampia distribuzione del farmaco da parte dei microaghi all’interno del tessuto cutaneo.

“Le iniezioni tendono a creare un deposito localmente nella pelle, da cui il farmaco viene rilasciato nella circolazione attraverso la diffusione passiva”, ha spiegato Economidou. “Questo introduce un ritardo tra la somministrazione e il picco di effetto. I microaghi d’altra parte diffondono il farmaco all’interno del tessuto, consentendo un assorbimento più rapido e prolungato “.

La maggior parte dei microaghi cavi stampati in 3D sono prodotti tramite polimerizzazione a due fotoni (2PP) e tali stampanti 3D tendono ad essere costose e presentano piccoli volumi di stampa. Il processo 2PP può anche richiedere molto tempo.

Per superare questi problemi, la patch microago dei ricercatori può essere stampata con successo utilizzando una stampante desktop commerciale, il che rende il processo di produzione più accessibile ai ricercatori e alle aziende interessate. Questo, secondo Economidou, aiuterà ad ampliare la loro tecnica da utilizzare come metodo di produzione di microaghi praticabile e sostenibile.

“Abbiamo anche segnalato per la prima volta la combinazione di stampa 3D con MEMS, in un dispositivo di somministrazione di farmaci a piattaforma”, ha detto. “Questo risultato apre la strada a una logica trasformata sui dispositivi medici; combinare la stampa 3D con altre tecnologie sofisticate è la chiave per lo sviluppo di nuovi dispositivi che promuovono le terapie e migliorano la vita dei pazienti “.

Attraverso i loro test, i ricercatori hanno dimostrato un trattamento controllabile per il diabete, sebbene il dispositivo sia stato progettato come una piattaforma universale per la somministrazione di una moltitudine di farmaci.

“La stampa 3D di dispositivi medici e di somministrazione di farmaci è ancora agli inizi”, ha aggiunto Economidou. “Riteniamo che ci sia ancora un grande potenziale non sfruttato in questa tecnologia per apportare cambiamenti sostanziali alle moderne cure cliniche. Nel nostro gruppo, conduciamo molto lavoro su sistemi transdermici, stent a rilascio di farmaco, compresse e medicazioni per ferite, tutti sviluppati dalla stampa 3D “.

Economidou e i suoi colleghi hanno in programma di espandere ulteriormente la loro ricerca sull’integrazione di MEMS e sensori nei dispositivi medici stampati in 3D, con l’obiettivo di fornire sofisticate soluzioni di cura personalizzate.

Ulteriori dettagli sui microaghi stampati in 3D possono essere trovati nel documento intitolato “Un nuovo sistema microelettromeccanico a microago cavo stampato in 3D per la somministrazione transdermica controllata e personalizzata di farmaci” , pubblicato nella rivista Additive Manufacturing. L’articolo è co-autore di S. Economidou, Md. Uddin, M. Marques, D. Douroumis, W. Sow, H. Li, A. Reid, J. Windmill e A. Podoleanu.

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