Исследователи из Кентского и Стратклайдского университетов разработали новое устройство, сочетающее в себе 3D-печать, микроиглы и микроэлектромеханические системы (MEMS) для контролируемой трансдермальной доставки лекарств.
Трансдермальная доставка лекарств относится к нанесению лекарства или лекарства через кожу, как правило, с использованием липкого пластыря. Для своего метода исследователи разработали составное устройство, состоящее из нанесенного на 3D-принтере пластыря с микроиглами в сочетании с МЭМС, что позволяет пользователю напрямую контролировать введение лекарств.
Устройство, получившее название 3DMNMEMS, было разработано с одной целью - персонализировать клиническое лечение и оставить в прошлом универсальный подход к доставке лекарств.
«Микроиглы - это маленькие прокалывающие устройства, которые разрушают самый внешний, наиболее непроницаемый слой кожи, чтобы транспортировать лекарства непосредственно в среду кожной микроциркуляции», - сказала София Экономиду, одна из исследователей из Кентского университета. «Их миниатюрный размер означает, что их применение безболезненно и решает такие проблемы, как дискомфорт пациента и боязнь иглы.
«МИКРОИГОЛЬНЫЕ ТРАНСДЕРМАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ТАКЖЕ САМОУПРАВЛЯЮТСЯ, ИСКЛЮЧАЯ НЕОБХОДИМОСТЬ ВМЕШАТЕЛЬСТВА ОБУЧЕННОГО ПРОФЕССИОНАЛА, ЧТО СНИЖАЕТ РАСХОДЫ НА ЛЕЧЕНИЕ».
Как правило, обычные микроиглы производятся методом микролитья - методом, который сложно настроить и который связан с высокими первоначальными затратами на инструменты. Исследователи также отметили, что изготовление внутренних микроструктур внутри их собственных микроигл невозможно с использованием техники микролитья.
Поэтому исследователи обратились к 3D-печати, чтобы обеспечить одноэтапное, повторяемое и воспроизводимое изготовление сложного устройства 3DMNMEMS. Кроме того, 3D-печать позволяет легко настроить устройство, при этом производитель может адаптировать дизайн к индивидуальным потребностям пациента. Пластыри с микроиглами также могут быть изготовлены по запросу, что устраняет необходимость в пространстве для хранения в клиниках и лабораториях.
Исследования в этой области проводились и раньше, например, в 2018 году ученые Техасского университета в Далласе разработали новый недорогой метод изготовления массивов микроигл с использованием 3D-принтера FFF. С тех пор исследователи из Университета Рутгерса использовали проекционную микростереолитографию для создания 4D-печатных биоинспирированных программируемых микроигл, которые улучшают адгезию тканей.
Совсем недавно команда из Университета штата Аризона и Университета Южной Калифорнии разработала патчи для микроигл, напечатанные на 3D-принтере, вдохновленные иерархической структурой блюдец. Пластыри производятся с использованием 3D-печати с помощью магнитного поля (MF-3DP), и в будущем их можно будет использовать для безболезненной доставки лекарств пациентам.
Заплата с микроиглами, разработанная с использованием стандартного программного обеспечения САПР, состоит из полых стержней микроигл с отверстиями, внутренних микроканалов, микрорезервуара и отверстия для подачи жидкости. Микроиглы печатаются на 3D-принтере с использованием стереолитографии и биосовместимого полимера, однако исследователи обнаружили, что их сложная структура и потребность в точных, воспроизводимых отпечатках бросают вызов возможностям 3D-принтера.
В частности, они отметили сложность достижения требуемой остроты наконечника и обеспечение того, чтобы внутренние микроструктуры были свободны от засоров, которые могут ограничивать поток жидкости.
«В микромасштабе влияние параметров печати на качество конечного продукта усиливается, поэтому нам пришлось разработать и применить ряд шагов оптимизации, включающих настройку параметров печати и адаптацию дизайна для получения требуемого результата и создания воспроизводимого протокола печати», - пояснил Экономиду. «Стоит отметить, что пластырь был разработан таким образом, чтобы его можно было легко установить на используемую здесь МЭМС, а также на обычный шприц».
Чтобы изучить, насколько эффективным было устройство 3DMNMEMS in vivo - в живом организме, - исследователи использовали его для введения инсулина мышам с диабетом. Затем они сравнили эту группу мышей с другой группой, которым вводили такое же количество инсулина под кожу.
По словам Экономиду, 3DMNMEMS обеспечил более быстрое снижение уровня глюкозы в крови (один час), в то время как инъекция заняла три часа, чтобы вызвать тот же гипогликемический эффект. Результаты также показали, что концентрация инсулина в группе, получавшей устройство, была более устойчивой с течением времени в результате широкого распределения препарата микроиглами в ткани кожи.
«Инъекции, как правило, создают в коже депо, из которого лекарство попадает в кровоток посредством пассивной диффузии», - пояснил Экономиду. «Это приводит к задержке между приемом и пиком эффекта. Микроиглы, с другой стороны, распределяют лекарство в ткани, обеспечивая более быстрое и устойчивое всасывание».
Большинство полых микроигл, напечатанных на 3D-принтере, производятся посредством двухфотонной полимеризации (2PP), и такие 3D-принтеры, как правило, дороги и имеют небольшие объемы печати. Процесс 2PP также может занять много времени.
Чтобы преодолеть эти проблемы, пластырь исследователей с микроиглами может быть успешно напечатан на коммерческом настольном принтере, что делает производственный процесс более доступным для исследователей и заинтересованных компаний. Это, по мнению Экономиду, поможет расширить их технологию для использования в качестве жизнеспособного и устойчивого метода производства микроигл.
«Мы также впервые сообщили об объединении 3D-печати с MEMS в платформенное устройство доставки лекарств», - сказала она. «Это достижение открывает путь к измененному объяснению медицинских устройств; сочетание 3D-печати с другими сложными технологиями является ключом к разработке новых устройств, которые продвигают терапию и улучшают жизнь пациентов».
В ходе своих испытаний исследователи продемонстрировали контролируемое лечение диабета, хотя устройство было разработано как универсальная платформа для доставки множества лекарств.
«3D-печать медицинских устройств и устройств доставки лекарств все еще находится в зачаточном состоянии», - добавил Экономиду. «Мы считаем, что у этой технологии есть еще большой неиспользованный потенциал для существенных изменений в современной клинической практике. В нашей группе мы много работаем над трансдермальными системами, стентами с лекарственным покрытием, таблетками и повязками, разработанными с помощью 3D-печати».
Экономиду и ее коллеги планируют и дальше расширять свои исследования по интеграции МЭМС и датчиков в медицинские устройства, напечатанные на 3D-принтере, с целью предоставления сложных решений для индивидуального ухода.
Более подробную информацию о 3D-печатных микроиглах можно найти в статье под названием «Новая, напечатанная на 3D-принтере, микроэлектромеханическая система с полыми микроиглами для контролируемой персонализированной трансдермальной доставки лекарств», опубликованной в журнале Additive Manufacturing., А. Рейд, Дж. Виндмилл и А. Подолеану.