Le pillole dall’aspetto divertente non sono un espediente di design, possono rilasciare farmaci in un regime temporale desiderato!Non essere sorpreso di vedere pillole con forme insolite nel prossimo futuro. A prima vista possono sembrare divertenti, ma possono rilasciare sostanze farmaceutiche all’interno del corpo in modo controllato. Utilizzando una combinazione di metodi computazionali avanzati e stampa 3D, vengono prodotti oggetti che si dissolvono nei liquidi in un modo predeterminato. Un gruppo di informatici del Max Planck Institute for Informatics di Saarbrücken, in Germania, e dell’Università della California a Davis, hanno inventato un processo che si basa esclusivamente sulla forma dell’oggetto per un rilascio controllato nel tempo. Ciò avrà importanti implicazioni per l’industria farmaceutica, che ha recentemente iniziato a concentrarsi fortemente sulla stampa 3D.
Il controllo dei livelli di farmaci nei pazienti è una parte importante del trattamento. Nel caso dell’infusione endovenosa, la concentrazione nel sangue è determinata dalla velocità di gocciolamento moltiplicata per la proporzione del farmaco nella soluzione IV. Un livello di farmaco costante potrebbe essere raggiunto somministrando inizialmente una dose elevata e mantenendola da quel momento in poi con dosi più piccole. Con la somministrazione orale, questo regime è molto più difficile da garantire. Un’idea sarebbe quella di utilizzare strutture multicomponente e multimateriale con diverse concentrazioni di farmaci in luoghi diversi, difficili da produrre. D’altra parte, i grandi progressi nella stampa 3D e le sue insormontabili capacità di creare forme complesse, la realizzazione di farmaci a forma libera con una distribuzione costante del biochimico nel materiale di supporto è attualmente un’opzione praticabile.
Il progetto, guidato dal Dr. Vahid Babaei (MPI for Informatics) e dal Prof. Julian Panetta (UC Davis), produce oggetti 3D che si dissolvono in una funzione temporale desiderata, rilasciando quindi il loro contenuto in modo controllato. Combinando abilmente modelli matematici, configurazione sperimentale e stampa 3D, il team può stampare forme 3D che rilasciano una quantità temporizzata di farmaco mentre si dissolvono. Questo può essere utilizzato per impostare concentrazioni di farmaco predeterminate attraverso la somministrazione orale.
Poiché nessuna influenza esterna è possibile dopo l’ingestione nel tubo digerente, il rilascio di farmaco desiderato dipendente dal tempo deve essere generato dalla forma (superficie attiva che si dissolve) del campione. Con un certo sforzo, la dissoluzione dipendente dal tempo può essere calcolata da una data forma geometrica. Per una sfera, ad esempio, è strettamente proporzionale alla superficie sferica decrescente. Il team di ricerca propone una simulazione in avanti, basata sull’intuizione geometrica che gli oggetti si dissolvono uno strato alla volta. I professionisti, tuttavia, sono principalmente interessati a definire prima un rilascio desiderato e poi a trovare una forma che si dissolva in base a quel profilo di rilascio. Anche con questa efficiente simulazione in avanti, il reverse engineering per trovare la forma tridimensionale appropriata per un regime farmacologico desiderato presenta notevoli difficoltà.
È qui che trova applicazione l’ottimizzazione della topologia (TO): le simulazioni in avanti vengono invertite per trovare una forma che mostri una determinata proprietà. Originariamente sviluppato per componenti meccanici, TO ha nel frattempo acquisito una vasta gamma di applicazioni. Il team è il primo a proporre una strategia di progettazione inversa per trovare la forma dal comportamento di rilascio basato sull’ottimizzazione della topologia. La dissoluzione è convalidata mediante esperimenti: le curve di rilascio misurate sono molto vicine ai valori desiderati.
Nella configurazione sperimentale, gli oggetti vengono stampati utilizzando una stampante 3D basata su filamento. La dissoluzione viene quindi valutata da un sistema di telecamere, vale a dire, effettivamente misurata, non solo calcolata da un modello matematico. A tale scopo, la trasmittanza ottica del solvente viene registrata otticamente. Contrariamente ai metodi di misurazione comunemente utilizzati fino ad oggi, che determinano direttamente la concentrazione del principio attivo (ad es. mediante titolazione), questo metodo è molto più rapido e semplice da impostare. I metodi ottici per misurare la densità dei principi attivi sono, tra l’altro, in uso da tempo: quando l’uva viene pigiata per fare il vino, il contenuto di zucchero (Öchsle) del succo d’uva viene determinato mediante rifrattometria.
Il metodo di progettazione inversa può anche incorporare diversi vincoli di fabbricabilità di diversi sistemi di produzione. Ad esempio, può essere modificato per generare forme estruse e quindi non ostacola la produzione di massa. Oltre all’applicazione discussa in farmaceutica, ulteriori possibilità includono la produzione di corpi catalitici o anche fertilizzanti granulari grossolani.
Contesto Istituto Max Planck per l’informatica:
Il Max-Planck-Institute for Informatics di Saarbrücken è uno dei principali istituti di ricerca al mondo in Informatica. Dalla fondazione dell’istituto nel 1990 ha ricercato i fondamenti matematici della tecnologia dell’informazione nelle aree degli algoritmi e della complessità, nonché della logica della programmazione. Allo stesso tempo, i ricercatori dell’istituto hanno sviluppato nuovi algoritmi per varie aree di applicazione come database e sistemi informativi, verifica dei programmi e bioinformatica. Anche la ricerca di base nel visual computing, ovvero grafica computerizzata e visione artificiale, all’incrocio tra intelligenza artificiale e apprendimento automatico, è un obiettivo importante dell’istituto. Con pubblicazioni di altissimo livello e la formazione di eccellenti giovani ricercatori,
Background Saarland Informatics Campus:
900 scienziati (inclusi 400 dottorandi) e circa 2500 studenti provenienti da più di 80 nazioni fanno del Saarland Informatics Campus (SIC) uno dei luoghi leader per l’informatica in Germania e in Europa. Quattro istituti di ricerca di fama mondiale, vale a dire il Centro di ricerca tedesco per l’intelligenza artificiale (DFKI), l’Istituto Max Planck per l’informatica, l’Istituto Max Planck per i sistemi software, il Centro per la bioinformatica e l’Università della Saarland con tre dipartimenti e 24 corsi di laurea coprire l’intero spettro dell’informatica. saarland-informatica-campus.de/en/
