W ciągu ostatniej dekady pojawiły się znaczące postępy w produkcji biomanicznej urządzeń opartych na mikroireedle (MN), podkreślając ich potencjał w szeregu zastosowań terapeutycznych. Jednak upewnienie się, że te MN przenikną odpowiednią głębokość do skutecznego pracy bez powodowania szkody, było trwałym wyzwaniem. Naukowcy zajmują się teraz tym problemem, torując drogę do bardziej precyzyjnych i bezpieczniejszych zabiegów. Nowe podejście do kontrolowania głębokości penetracji szeregu pustych MNS zostało z powodzeniem opracowane przez zespół prowadzony przez dr Maryam Mobeda-Miremadi z Santa Clara University, Kalifornia, USA. Włączenie stopka powyżej końcówki ograniczyło penetrację do docelowej głębokości 150 µm, zapewniając precyzję w warstwie naskórka. Prace te, opublikowane w Journal of Applied Mechanics, wykorzystuje mechanizm stopera, aby zapewnić precyzyjne celowanie przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej urządzenia z nadrukiem 3D pod obciążeniem mechanicznym.
MN wytworzono przy użyciu stereolitografii (SLA), wykorzystując biokompatybilną fotosynę z rozdzielczością 25–50 µm. Skurcz oceniano ilościowo po utwardzaniu za pomocą mikroskopii transmisyjnej i analiz obrazowania. Cienkie sterylizowane skrzyżowane płyty hydrożelowe alginianu zastosowano jako analogi skóry do naśladowania właściwości biomechanicznych naskórka. Testy mechaniczne tych biokompatybilnych hydrożeli potwierdziły zdolność MNS do osiągnięcia jednolitej penetracji. Analizy profilometrii dodatkowo potwierdziły skuteczność stopka w utrzymywaniu stałej głębokości w różnych testach. Pyknometrię zastosowano do pomiaru gęstości warstw hydrożelowych przed i po nakłucie w celu potwierdzenia redystrybucji masowej w porównaniu z utratą materiału podczas wgłębienia mikroidedle.
Rozległe testy fantomów hydrożelu ujawniło zdolność MNS do wytrzymania sił przekraczających te zwykle wymagane do penetracji naskórka. Pomiary sił szczytowych, twardości i właściwości lepkosprężyste zapewniają, że projekt spełnia niezbędne standardy do praktycznych zastosowań. Rola stopka w zwiększaniu jednolitości i zmniejszeniu zmienności nakłucia była znaczącym odkryciem.
Symulacje przy użyciu oprogramowania COMSOL przeprowadzono do modelowania rozkładów naprężeń i deformacji podczas wstawiania urządzenia z eksperymentalnie określonymi właściwościami fantomów i parametrów skurczowych. Wyniki gęstości nie były bezpośrednio symulowane, ale zostały poinformowane wejściowe właściwości materiału dla modelu obliczeniowego. Te w eksperymentach silico uzupełniały wyniki empiryczne, zapewniając wgląd w wydajność mechaniczną i obszary potencjalnej optymalizacji projektowania. Profile rozluźnienia stresu i trendy siły wstawiania ściśle zgodne z wynikami eksperymentalnymi wzmacniając solidność projektu i zintegrowany proces testowania urządzeń.
Metodologia i wyniki tego badania stanowią podstawę do postępowania technologii MN w precyzyjnych zastosowaniach medycznych. Naukowcy mają na celu udoskonalenie procesu dla odtwarzalności i skalowalności penetracji dysz do niszczenia. Elastyczność projektowania włączona poprzez dostosowanie wymiaru stopka do głębokości wstawiania pierwotnie przeznaczonego do dostarczania komórek mikrokapsułkowanych rozszerza potencjalne zastosowanie do zastosowań, takich jak transdermalne dostarczanie leków i wykrywanie biomarkerów, minimalizowanie dyskomfortu i maksymalizację wyników terapeutycznych.
Referencje dziennika
DeFelipi, km; Kwong, Ays; Appleget, Jr; Altay, R.; Matheny, MB; Dubus, MM; Eribes, LM; Mobed-Miremadi, M. „Zintegrowane podejście do kontrolowania głębokości penetracji pustych mikroenidles z nadrukiem 3D”. Appl. Mech.2024W 5233-259. https://doi.org/10.3390/applmech5020015
O autorach
Świętując 100 lat kobiet w inżynierii biografie autorów to:
Dr. Maryam Mobed-Miremadi jest profesorem dydaktycznym na Wydziale Bioinżynierii na Uniwersytecie Santa Clara. Jej obecne zainteresowania badawcze obejmują symulację, optymalizację i walidację statystyczną między platformami związanymi z wieloma biomateriałami, w tym zrównoważonymi zastosowaniami energetycznymi.
Kendall DeFelipipi Ukończył Santa Clara University w grudniu 2023 r. Z MS w bioinżynierii. Oprócz pracy nad medycznymi zastosowaniami mikroedylów (MNS), zbadała skalowanie mikroedylowe do zastosowań bioprocesowych. Kendall obecnie pracuje jako stowarzyszony naukowiec w Neurocrine Biosciences w San Diego w Kalifornii.
Allyson Kwong jest studentem bioinżynierii prowadzącym pięcioletni stopień BS/MS na Uniwersytecie Santa Clara i pracuje jako inżynier w niepełnym wymiarze godzin w Stryker Medical. Nadal bada charakterystykę nakłucia ilościowego w miękkich materiałach.
Julia Appleget jest studentem inżynierii elektrycznej, który studiuje MS na Uniwersytecie Santa Clara. Jako odbiorca grantu licencjackiego Clare Boothe, jej badania dotyczące bioinżynierii koncentrowały się na wykorzystaniu właściwości mechanicznych i elektrycznych tetrafunkcyjnych sieci hydrożelowych w zastosowaniach urządzeń biomedycznych i bioenergii.
Rana Allty Rana jest doktorantem w laboratorium dr Araci na Uniwersytecie Santa Clara. Jej badania leżą na przecięciu mikroprzepływów i technologii noszenia. Przed udziałem na Uniwersytecie Santa Clara studiowała inżynierię mechatroniczną na Uniwersytecie Sabancı w Turcji.
Maya Matheny jest kandydatem pierwszego roku w Keck School of Medicine na University of Southern California. Uzyskała tytuł licencjata z bioinżynierii na Uniwersytecie Santa Clara, gdzie zainteresowała biofabrykację. Maya jest pasjonatem rozwoju kapitału zdrowotnego i łączenia wiedzy technicznej ze współczującą opieką nad pacjentem.
Maggie Dubus jest studentem pierwszego roku MD na University of Colorado School of Medicine. Uzyskała tytuł licencjata z bioinżynierii na Uniwersytecie Santa Clara, gdzie rozwinęła swoje umiejętności badawcze. Maggie jest zaangażowana w integrację badań translacyjnych z wysokiej jakości, współczującą opiekę nad pacjentem podczas swojej kariery medycznej.
Lily eribes Pracuje jako inżynier dla Microchip Technology Inc. w Arizonie. Uzyskała tytuł licencjata w dziedzinie bioinżynierii na Uniwersytecie Santa Clara, gdzie pełniła funkcję członka innowacji i badacza opieki zdrowotnej.
