Na última década, surgiram avanços significativos na biofabricação de dispositivos baseados em microagulhas (MNs), destacando o seu potencial numa variedade de aplicações terapêuticas. No entanto, garantir que estes MNs penetrem na profundidade adequada para serem eficazes sem causar danos continua a ser um desafio persistente. Os investigadores estão agora a enfrentar este problema, abrindo caminho para tratamentos mais precisos e seguros. Uma nova abordagem para controlar a profundidade de penetração de MNs ocos foi desenvolvida com sucesso por uma equipe liderada pela Dra. Mariam Mobet-Miremadi da Universidade de Santa Clara, CA, EUA. Limita a penetração acima da ponta a uma profundidade alvo de 150 µm, garantindo precisão dentro da camada epidérmica. O trabalho, publicado na revista Applied Mechanics, usa um mecanismo de travamento para garantir um direcionamento preciso, mantendo a integridade estrutural de um dispositivo impresso em 3D sob carga mecânica.
Os MNs foram fabricados usando uma estereolitografia fotomelhorada biocompatível (SLA) com resolução de 25–50 µm. O grau de encolhimento após o encolhimento foi avaliado por meio de microscopia de transmissão e análises de imagem. Finas camadas estéreis de hidrogel de alginato reticulado foram usadas como análogos da pele para imitar as propriedades biomecânicas da epiderme. Os testes mecânicos destes hidrogéis biocompatíveis confirmaram a capacidade dos MNs de atingir permeabilidade uniforme. As análises de perfilometria confirmaram ainda mais a eficácia do bloqueador em manter a profundidade constante em vários testes. A picnometria foi utilizada para medir a densidade dos filmes de hidrogel antes e após a punção.
Testes extensivos de fantasmas de hidrogel revelaram a capacidade dos MNs de suportar forças que excedem aquelas normalmente necessárias para a penetração epidérmica. As medições das forças máximas dos poros, da dureza e das propriedades viscoelásticas garantem que o projeto atenda aos padrões exigidos para aplicações práticas. O papel da rolha no aumento da uniformidade e na redução da variação na punção é significativo.
Simulações foram conduzidas usando o software COMSOL para modelar a distribuição de tensão e deformação durante a inserção do dispositivo com propriedades de fantasmas e parâmetros de compressão determinados experimentalmente. As descobertas de densidade não foram simuladas diretamente, mas foram relatadas entradas de propriedades do material para o modelo computacional. Esses experimentos in silico complementam os resultados empíricos e fornecem insights sobre o desempenho da máquina e áreas para possíveis melhorias no projeto. Os perfis de relaxamento de tensão e as tendências da força de inserção estão estreitamente alinhados com os resultados dos testes, reforçando a robustez do processo integrado para projeto e teste de dispositivos.
A metodologia e os resultados deste estudo fornecem uma base para o desenvolvimento da tecnologia MN em aplicações de medicina de precisão. Os pesquisadores pretendem melhorar o processo de reprodutibilidade e escalabilidade da penetração ponta a ponta. A flexibilidade de design possibilitada pela modificação da dimensão da rolha em relação à profundidade de inserção, originalmente destinada à entrega de células microencapsuladas, expande a sua aplicação potencial para aplicações como administração transdérmica de medicamentos e detecção de biomarcadores, minimizando o desconforto e maximizando os resultados terapêuticos.
Nota de diário
DeFelippi, KM; Kwang, AYS; Applegate, Jr.; Alte, R.; Matheny, deputado; Dubus, M.M.; Érips, LM; Mobet-Miremadi, M. “Uma abordagem integrada para controlar a profundidade de penetração de microagulhas ocas impressas em 3D.” Maçã. Mecânico.2024, 5233-259. https://doi.org/10.3390/applmech5020015
Sobre os professores
Biografias de autoras comemorando 100 anos de mulheres na engenharia:
Dra. Mariam Mobet-Miremadi Ele é professor do Departamento de Bioengenharia da Universidade de Santa Clara. Os seus atuais interesses de investigação incluem simulação, otimização e validação estatística em plataformas multiescala relacionadas com biomateriais, incluindo aplicações de energia sustentável.
Kendall DeFelippi Ele se formou na Universidade de Santa Clara em dezembro de 2023 com mestrado em Bioengenharia. Além de trabalhar em aplicações médicas de microagulhas (MNs), ele também conduziu pesquisas sobre dimensionamento de microagulhas para aplicações de bioprocessamento. Kendall atualmente trabalha como Cientista Associado na Neurocrine Biosciences em San Diego, CA.
Allison Kwong Estudante de bioengenharia cursando bacharelado/mestrado de cinco anos na Universidade de Santa Clara e trabalha meio período como engenheiro na Stryker Medical. Ele continua pesquisando a caracterização quantitativa de punções em materiais macios.
Julia Applegate Estudante de Engenharia Elétrica cursando mestrado na Universidade de Santa Clara. Como ganhadora da bolsa de graduação Clare Boothe, sua pesquisa em bioengenharia se concentrou na melhoria das propriedades mecânicas e elétricas de redes de hidrogel tetrafuncionais em dispositivos biomédicos e aplicações de bioenergia.
Rana Altai Pós-doutorado no laboratório do Dr. Arazi na Universidade de Santa Clara. Sua pesquisa está na interseção de microfluídica e tecnologias vestíveis. Antes de frequentar a Universidade de Santa Clara, estudou engenharia mecatrônica na Universidade Sabanci, na Turquia.
Maya Matheni Médico do primeiro ano da Keck School of Medicine da Universidade do Sul da Califórnia. Ele se formou em bioengenharia pela Universidade de Santa Clara, onde desenvolveu interesse em biofabricação. Maya é apaixonada por promover a equidade na saúde e combinar conhecimento técnico com atendimento compassivo ao paciente.
Maggie Dubus Ele é estudante do primeiro ano de medicina na Faculdade de Medicina da Universidade do Colorado. Ele se formou em bioengenharia pela Universidade de Santa Clara, onde desenvolveu suas habilidades de pesquisa translacional. Magee tem se comprometido em integrar a pesquisa translacional com atendimento compassivo e de alta qualidade ao paciente ao longo de sua carreira clínica.
Lily Erips Ele trabalha como engenheiro na Microchip Technology Inc. no Arizona. Ele se formou em bioengenharia pela Santa Clara University, onde atuou como pesquisador e pesquisador em inovação em saúde.
