Χρήση της προσθετικής κατασκευής για την ανάπτυξη μικροβελονών για διαδερμική χρήση πεπτιδίων

Abstract

Use of microneedles is a method which permits perforation of stratum corneum and formation of apertures through which transdermal drug delivery is achieved. With this method drugs, which are practically impermeable through intact skin, can be administered. Such drugs are macromolecules including proteins. Macromolecular drug delivery achievement would improve daily life and compliance to therapeutics of patients who are obliged to regular parenteral administration of their regimen (e.g. diabetics). Simultaneously, use of Additive Manufacturing enables microneedle manufacture in a quick, easy, convenient and economic manner due to the following reasons: a) microneedle designs are saved as .stl files and can be modified when necessary, b) manufacture procedure is conducted in a single step in which layers of printed material is successively deposited on building platform in a controlled way and c) machinery required for carrying out manufacturing process is quite simple (a computer and a printer), while there is no need of using extra tooling or sophisticated machines. This fact enables establishment of small production units even in remote places. Additionally, use of Additive Manufacturing for microneedle fabrication enables in some cases personalized drug delivery. This doctoral thesis aims to utilize Additive Manufacturing and the advantages offered in an attempt to manufacture microneedle arrays for further use for macromolecular drug delivery. First, this research focused on microneedle fabrication. Two types of microneedle arrays were fabricated: a) solid microneedles with use of stereolithography (SLA) and b) hollow microneedles through liquid crystal display (LCD). In every case microneedles were morphologically and dimensionally determined with optical microscope and scanning electron microscopy (SEM). Additionally, a detailed mechanical study was conducted exerting axial load on microneedles, while skin penetration tests were made using skin samples of human origin. At the same time, compression and skin penetration tests were simulated through finite element analysis (FEA). Solid microneedles (6x6) were used for in vitro transdermal delivery of calcein and FITC-Dextran (4000) standard dyes. Subsequently, permeability experimental results were analyzed and increase of skin permeability for each dye after microneedle intervention was calculated. Skin samples used in these experiments were cross-sectioned using a cryostat and colored with hematoxylin-eosin dye solution. Hollow microneedles were initially manufactured as 3x3 arrays under curved triangular geometry. Subsequently, flow ability of aqua medium through microchannels was studied and the addition of a surfactant substance on microneedle surface was found to be necessary. Microneedles were coated with 5% Pluronic F-127 solution and the success of coating process was confirmed with FTIR spectroscopy and contact angle studies. For the needs of drug administration suitable reservoirs were manufactured with use of fused deposition modeling (FDM). Reservoirs were assembled with microneedles resulting in the final device. Next, permeability studies were carried out using synthetic membranes and octreotide acetate. In addition, using extracts of 3D printed material cytotoxic studies were conducted in HaCaT cell lines. As a next step, a variant of the above microneedles was fabricated as a 6x6 array of the same geometry, keeping constant the rest conditions of the manufacturing process. In addition, 6x6 arrays of inclined geometry (beveled) and LCD printed reservoirs were manufactured. After the addition of the surfactant substance (5% Pluronic F-127) and the conduction of magnetic tomography (μ-CT) where internal microchannels volumes were imaged and volumetrically determined, the two microneedle geometries were used for in vitro transdermal delivery of insulin. The results of this thesis showed that the fabricated microneedles were suitable for perforation of skin and synthetic membranes. Microneedle dimensions varied within the range that ensures their painless application by individuals. Mechanical strength of the fabricated microstructures allows their intended usage with no risk of breakage and retention of parts of 3D-printed material within the skin tissues, with safety factor much greater than one and with FEA results being in accordance with experimental findings. Addition of surfactant coating on hollow microneedle surface was successful and led to free passage of drug aquatic solutions. Fabrication of reservoirs was also successful yielding the wished dimensions, so that hollow microneedles could assemble with reservoirs with no occurrence of leakages. In all occasions of permeability experiments, increase of the amount of drug permeating skin or synthetic membranes was observed after microneedle application. Additionally, toxicological studies showed that 3D-printed resin material of hollow microneedles is safe for a few minute contact with skin. In this doctoral thesis, it was proved that Additive Manufacturing is suitable for fabrication of microneedles and thus, it is possible to utilize all the advantages that this method offers. Also, after effective skin perforation, it was proved that it is possible to administer transdermally drugs of high molecular weight (here: FITC-Dextran 4000Da, octreotide acetate and insulin). Finally, 3D-printed microneedles are suitable for transdermal macromolecular delivery.

Η χρήση μικροβελόνων είναι μία μέθοδος η οποία επιτρέπει τη διάτρηση της κερατίνης στιβάδας και το σχηματισμό πόρων μέσω των οποίων επιτυγχάνεται διαδερμική χορήγηση φαρμάκων. Με αυτή τη μέθοδο μπορούν να χορηγηθούν φάρμακα τα οποία σε άθικτο δέρμα έχουν μηδαμινή απορρόφηση. Τέτοιου είδους φάρμακα είναι και τα μακρομόρια, μεταξύ των οποίων και οι πρωτεΐνες. Η επίτευξη διαδερμικής χορήγησης μακρομορίων θα βελτίωνε την καθημερινότητα και τη συμμόρφωση στη θεραπεία ασθενών που υποχρεώνονται σε τακτική παρεντερική χορήγηση της θεραπείας τους (π.χ. διαβητικοί). Παράλληλα, η χρήση της Προσθετικής Κατασκευής επιτρέπει την κατασκευή των μικροβελόνων με γρήγορο, εύκολο, ευέλικτο και οικονομικό τρόπο χάρη στους ακόλουθους λόγους: α) τα σχέδια των μικροβελόνων σώζονται ως αρχεία .stl και μπορούν να τροποποιηθούν όποτε κριθεί απαραίτητο, β) η διαδικασία κατασκευής συνοψίζεται σε ένα στάδιο στο οποίο στιβάδες του υλικού εκτύπωσης εναποτίθεται διαδοχικά και ελεγχόμενα στην πλατφόρμα εκτύπωσης και γ) οι συσκευές που απαιτούνται για τη διεκπεραίωση της κατασκευής είναι πολύ απλές (ένας υπολογιστής και ένας εκτυπωτής), ενώ δεν γίνεται χρήση περίπλοκων μηχανών και συνηθισμένων εργαλείων. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την εγκατάσταση μικρών μονάδων παραγωγής ακόμη και σε απομακρυσμένα μέρη. Επιπρόσθετα, η χρήση της Προσθετικής Κατασκευής για την κατασκευή μικροβελόνων επιτρέπει κατά περιπτώσεις την εξατομικευμένη χορήγηση φαρμάκων.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιοποίηση της Προσθετικής Κατασκευής και των πλεονεκτημάτων που προσφέρει με στόχο αφενός την κατασκευή συστοιχιών μικροβελόνων και αφετέρου τη χρήση αυτών για χορήγηση μακρομοριακών φαρμακευτικών ουσιών. Αρχικά η μελέτη επικεντρώθηκε στην κατασκευή των μικροβελόνων. Κατασκευάστηκαν δύο είδη μικροβελόνων: α) συμπαγείς (solid) μικροβελόνες με χρήση στερεολιθογραφίας (stereolithography, SLA) και β) κοίλες μικροβελόνες (HMNs) με εκτύπωση μέσω οθόνης υγρών κρυστάλλων (liquid crystal display, LCD). Σε κάθε περίπτωση οι μικροβελόνες προσδιορίστηκαν ως προς τη μορφολογία και τις διαστάσεις τους με χρήση οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (scanning electron microscopy, SEM). Επιπρόσθετα, έγινε μελέτη των μηχανικών τους ιδιοτήτων μέσω δοκιμών μονοαξονικής θλίψης, ενώ ακόμη έγιναν δοκιμές διείσδυσης σε δείγματα δέρματος ανθρώπινης προέλευσης. Παράλληλα, οι δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και διείσδυσης προσομοιώθηκαν μέσω ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Analysis, FEA). Οι συμπαγείς μικροβελόνες (6x6) χρησιμοποιήθηκαν για τη διαδερμική χορήγηση των πρότυπων χρωστικών καλσεΐνη και FITC-Dextran (4000Da). Ακολούθως έγινε επεξεργασία των αποτελεσμάτων διαπερατότητας και υπολογίστηκε η αύξηση της διαπερατότητας του δέρματος για κάθε χρωστική έπειτα από τη μεσολάβηση των μικροβελόνων. Στα δείγματα δέρματος που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτά τα πειράματα έγιναν τομές με κρυοστάτη και χρώση αιματοξυλίνης-εοσίνης.Οι HMNs κατασκευάστηκαν αρχικά ως 3x3 συστοιχίες υπό γεωμετρία κυρτής τριγωνικής πυραμίδας. Ακολούθως μελετήθηκε η ικανότητα διάβασης υδατικού μέσου από τα μικροκανάλια και έτσι διαπιστώθηκε η ανάγκη προσθήκης επιφανειοδραστικού παράγοντα στην επιφάνεια των μικροβελόνων. Η επικάλυψη έγινε με 5% Pluronic F-127 και η προσθήκη του επιβεβαιώθηκε με φάσμα FTIR και μελέτη γωνίας επαφής. Για τις ανάγκες της χορήγησης κατασκευάστηκαν δεξαμενές με κατασκευή μέσω μοντελοποίησης απόθεσης τήγματος (fused deposition modeling, FDM). Οι δεξαμενές συναρμολογήθηκαν με τις μικροβελόνες δίνοντας την τελική συσκευή χορήγησης. Στη συνέχεια διεξήχθησαν μελέτες διαπερατότητας μέσω συνθετικών μεμβρανών χρησιμοποιώντας οξική οκτρεοτίδη. Ακόμη, χρησιμοποιώντας εκχυλίσματα τρισδιάστατα εκτυπωμένου υλικού έγιναν μελέτες τοξικότητας σε HaCaT κυτταρικές σειρές. Σε επόμενο στάδιο σχεδιάστηκε μια παραλλαγή των παραπάνω συστοιχιών και κατασκευάστηκαν 6x6 συστοιχίες μικροβελόνων της ίδιας γεωμετρίας. Επιπρόσθετα, κατασκευάστηκαν 6x6 συστοιχίες μικροβελόνων γεωμετρίας σύριγγας (syringe-like), καθώς και ρεζερβουάρ κατασκευασμένα με LCD μέθοδο. Έπειτα από προσθήκη επιφανειοδραστικού και διεξαγωγή υπολογιστικής μαγνητικής τομογραφίας (μ-OCT) όπου προσδιορίστηκαν οι εσωτερικοί όγκοι των μικροκαναλιών, τα δύο είδη μικροβελόνων χρησιμοποιήθηκαν για in vitro διαδερμική χορήγηση ινσουλίνης.Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι οι μικροβελόνες που κατασκευάστηκαν ήταν κατάλληλες για διάτρηση του δέρματος καθώς και συνθετικών μεμβρανών. Διαστασιολογικά οι μικροβελόνες κυμαίνονται εντός των ορίων που εξασφαλίζουν την ανώδυνη εφαρμογή τους. Η μηχανική αντοχή τους επιτρέπει τη χρήση για την οποία προορίζονται χωρίς να υπάρχει κίνδυνος θραύσης και παραμονής τμήματος των μικροβελόνων εντός των ιστών του δέρματος, με συντελεστή ασφαλείας (safety factor) πολύ μεγαλύτερο της μονάδας και με τα αποτελέσματα FEA να είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Η προσθήκη του επιφανειοδραστικού παράγοντα στις HMNs ήταν επιτυχής και επέτρεψε την ελεύθερη δίοδο υδατικών διαλυμάτων δραστικών ουσιών. Η κατασκευή των ρεζερβουάρ ήταν επίσης επιτυχής και απέδωσε τις επιθυμητές διαστάσεις, επιτρέποντας έτσι τη συναρμολόγηση των ρεζερβουάρ με τις HMNs χωρίς να σημειώνονται διαρροές. Σε όλες τις περιπτώσεις πειραμάτων διαπερατότητας παρατηρήθηκε αύξηση της ποσότητας δραστικής ουσίας που διαπερνά το δέρμα ή τις συνθετικές μεμβράνες έπειτα από τη μεσολάβηση των μικροβελόνων. Ακόμη, οι τοξικολογικές μελέτες έδειξαν ότι η τρισδιάστατα εκτυπωμένη ρητίνη είναι ασφαλής για ολιγόλεπτη επαφή με το δέρμα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποδείχθηκε ότι η Προσθετική Κατασκευή είναι κατάλληλη για κατασκευή μικροβελόνων και συνεπώς δίνεται η δυνατότητα να αξιοποιηθούν τα πλεονεκτήματα που προσφέρει ως μέθοδος. Επίσης, κατόπιν αποτελεσματικής διάτρησης του δέρματος, αποδείχθηκε ότι είναι εφικτή η διαδερμική χορήγηση φαρμάκων μεγάλου μοριακού βάρους (ενδεικτικά εδώ FITC-Dextran 4000Da, οξική οκτρεοτίδη, ινσουλίνη). Εν κατακλείδι, οι τρισδιάστατα εκτυπωμένες μικροβελόνες είναι κατάλληλες για διαδερμική χορήγηση μακρομορίων.