Microaghi indolori ispirati ai denti di una lumaca acquatica fabbricati mediante stampa 3D assistita da campo magnetico che durano 150 anni

GLI SCIENZIATI PROGETTANO CEROTTI CON MICROAGHI ISPIRATI AI DENTI DI PATELLA STAMPATI IN 3D PER UNA SOMMINISTRAZIONE INDOLORE DEL FARMACO

I ricercatori dell’Arizona State University e della University of Southern California hanno sviluppato cerotti con microago stampati in 3D che potrebbero essere utilizzati per somministrare farmaci in modo indolore.

Ispirato dalla struttura gerarchica della patella (una lumaca acquatica con denti estremamente forti), il team ha creato una matrice di microaghi rinforzata che ha mostrato una maggiore resistenza all’uso a lungo termine. Inoltre, utilizzando un processo di stampa 3D assistita da campo magnetico (MF ‐ 3DP), la morfologia del dispositivo potrebbe essere ottimizzata in futuro per fornire farmaci senza causare disagio al paziente durante gli studi clinici.

Gli aghi ipodermici possono essere stati utilizzati per oltre 150 anni a causa del loro basso costo e della capacità relativamente grande, ma il loro inserimento è spesso accompagnato da dolore e creano grandi quantità di rifiuti medici. Per affrontare questi problemi, negli anni ’70 furono introdotti cerotti con microago che erano più convenienti, in grado di trasportare più farmaci e causavano una riduzione del dolore durante l’uso.

Se questi microaghi dovessero essere stampati in 3D, potrebbero essere creati con geometrie personalizzate per aumentare l’efficacia di diversi farmaci, ma finora una mancanza di precisione lo ha impedito. Ad esempio, gli approcci basati su Fused Deposition Modeling (FDM) e stampa a getto d’inchiostro hanno richiesto una post-elaborazione ampia e costosa, per affinare e perfezionare le funzionalità dei dispositivi.

Inoltre, i precedenti aghi sperimentali dovevano essere relativamente grandi per fornire una forza sufficiente, ma è stato riscontrato che questa dimensione ingrandita aumenta il dolore durante l’inserimento. Per superare queste limitazioni, gli scienziati si sono rivolti a una fonte improbabile: la patella. Recenti ricerche hanno rivelato che i denti della creatura marina, costituiti da numerose nanofibre gerarchiche, sono tra i materiali più resistenti trovati in natura.

Basandosi sui vantaggi evolutivi della patella, il team ha tentato di progettare un array di aghi bio-ispirato, con prestazioni meccaniche migliorate e il potenziale per la somministrazione del farmaco senza dolore.

I denti della patella devono la loro forza all’allineamento unico dei loro minerali di goethite, che li rende difficili da replicare utilizzando i metodi di microfabbricazione tradizionali. Di conseguenza, il team congiunto ha scelto di implementare invece una tecnica MF-3DP, attraverso la quale sono stati utilizzati campi magnetici per allineare nanoparticelle di ossido di ferro (aIO) all’interno di un materiale polimerico fotoinduribile.

Utilizzando un sistema di stereolitografia (SLA), il team ha quindi polimerizzato selettivamente il composito, modulando i diametri degli aghi regolando la concentrazione di particelle magnetiche in diversi punti. I microaghi risultanti sono stati fabbricati secondo uno schema tetragonale, con ciascun dispositivo conico di 200 µm di diametro, ma si è scoperto che la risoluzione era influenzata dalla larghezza degli aghi.

Regolando la profondità di penetrazione della luce della stampante, il team ha scoperto di essere in grado di regolare la larghezza dei propri dispositivi in ​​modo più preciso, ottenendo infine una larghezza di soli 8 µm. Inoltre, la matrice bio-ispirata degli scienziati si è dimostrata più forte durante i test rispetto allo stesso design stampato in polimero puro, che presentava una reticolazione inferiore e si piegava al momento dell’inserimento.

Al fine di valutare l’elemento antidolorifico del loro cerotto con microaghi, i ricercatori lo hanno applicato ai topi e non hanno osservato differenze comportamentali tra quelli con e senza il cerotto. Il team ha anche testato le capacità di somministrazione del farmaco del proprio dispositivo sulla pelle dei suini e ha scoperto che la fluoresceina poteva essere iniettata e rilasciata con successo nell’arco di due giorni.

Nel complesso, gli scienziati hanno considerato il loro approccio un successo, poiché i loro microaghi avevano mostrato una maggiore integrità meccanica grazie al loro allineamento ispirato alla patella. In futuro, la precisione del processo MF-3DP del team potrebbe consentire lo sviluppo di aghi con caratteristiche microscopiche personalizzabili, da utilizzare all’interno di applicazioni biomediche e cliniche.

Sistemi di somministrazione di farmaci stampati in 3D

Le patch Microneedle esistono dagli anni ’70, quindi non sorprende che i progressi nella stampa 3D abbiano portato allo sviluppo di numerose varianti additive, negli ultimi anni.

Un team della Rutgers University ha implementato una tecnica di micro-stereolitografia di proiezione (PµSL) per creare microaghi programmabili e bioispirati . Basati sui microhook di parassiti, pungiglioni spinati di api mellifere e aculei di istrici, i dispositivi sono stati progettati per deformarsi orizzontalmente per essere minimamente invasivi durante l’inserimento.

Allo stesso modo, gli scienziati della Temple University si sono ispirati all’ape mellifera per ottimizzare il design degli aghi chirurgici . I dispositivi stampati in 3D basati su polimeri del team presentavano un layout simile a un’ape “spinato”, che hanno ipotizzato, potrebbe ridurre i danni ai tessuti durante l’inserimento dell’ago.

Altrove, i ricercatori dell’Università del Texas a Dallas (UT Dallas) hanno creato un nuovo metodo a basso costo per creare array di microneedle . Combinando una stampante 3D desktop con una tecnica di incisione chimica, il team è stato in grado di fabbricare perni microscopici da utilizzare all’interno di più dispositivi medici.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Microneedles indolori ispirati ai denti a calpestio fabbricati mediante stampa 3D assistita da campo magnetico “. Lo studio è stato co-autore di Xiangjia Li, Weitong Shan, Yang Yang, Dylan Joralmon, Yizhen Zhu, Yiyu Chen, Yuan Yuan, Han Xu, Jiahui Rong, Rui Dai, Qiong Nian, Yang Chai e Yong Chen.

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