Durante a última década, avanços significativos foram feitos na biofabricação de dispositivos baseados em microagulhas (MNs), destacando o seu potencial para uma gama de aplicações terapêuticas. No entanto, garantir que estes micronanos penetrem na profundidade correta para funcionarem de forma eficaz sem causar danos tem sido um desafio constante. Os investigadores estão agora a resolver este problema, abrindo caminho para tratamentos mais precisos e seguros. Uma equipe liderada pela Dra. Maryam Mobed-Miremadi da Universidade de Santa Clara, na Califórnia, EUA, desenvolveu com sucesso um novo método para controlar a profundidade de penetração de matrizes MN ocas. Um tampão acima da ponta limita a penetração a uma profundidade alvo de 150 µm, garantindo precisão dentro da camada epidérmica. O trabalho, publicado na revista Applied Mechanics, utiliza um mecanismo de parada para garantir um direcionamento preciso, mantendo a integridade estrutural do dispositivo de impressão 3D sob carga mecânica.
Os MNs são fabricados usando tecnologia de estereolitografia (SLA), utilizando fotoresinas biocompatíveis com resolução de 25-50 µm. A contração pós-cura foi avaliada quantitativamente usando microscopia de transmissão e análise de imagem. Finas folhas 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 do MN de atingir uma penetração uniforme. A análise de medição de perfil validou ainda mais a eficácia do tampão em manter uma profundidade consistente nos vários testes. A densidade do filme de hidrogel antes e depois da punção foi medida por picnometria para confirmar a relação entre redistribuição de massa e perda de material durante a indentação da microagulha.
Testes extensivos em modelos de hidrogel mostraram que os MNs são capazes de suportar forças superiores às normalmente necessárias para a penetração epidérmica. As medições de pico de força de penetração, dureza e viscoelasticidade garantem que o projeto atenda aos padrões necessários para aplicações práticas. O papel dos tampões no aumento da uniformidade da punção e na redução da variabilidade foi um achado significativo.
O software COMSOL foi utilizado para simulação, e as propriedades fantasmas e os parâmetros de contração determinados experimentalmente foram utilizados para simular a distribuição de tensão e deformação durante a inserção do dispositivo. Os resultados de densidade não são simulados diretamente, mas fornecem informações de propriedades do material para modelos computacionais. Esses experimentos in silico complementam os resultados empíricos, fornecendo insights sobre o desempenho mecânico e possíveis áreas de otimização de projeto. As curvas de relaxamento de tensão e as tendências da força de inserção correlacionam-se estreitamente com os resultados experimentais, aumentando a robustez do projeto de teste do dispositivo e do processo de integração.
Os métodos e resultados deste estudo estabelecem as bases para o avanço do desenvolvimento da tecnologia MN em aplicações de medicina de precisão. Os pesquisadores tiveram como objetivo melhorar o processo de reprodutibilidade e escalabilidade da penetração bico a bico. A flexibilidade do design é alcançada ajustando o tamanho da rolha para acomodar a profundidade de inserção inicialmente usada para entrega de células microencapsuladas, estendendo seu uso potencial a aplicações como entrega transdérmica de medicamentos e detecção de biomarcadores, minimizando assim o desconforto e maximizando a eficácia terapêutica.
Referência do diário
DeFelippi, KM; Kuang, AYS; Pequena Maçã, JR; Altay, R. Matheny, MB; Dubus, M.M.; Érebus, LM; Mobed-Miremadi, M. “Uma abordagem abrangente para controlar a profundidade de penetração de microagulhas ocas impressas em 3D.” aplicativo. Mecha.2024, 5233-259. https://doi.org/10.3390/applmech5020015
Sobre o autor
Para comemorar os 100 anos das mulheres na engenharia, segue uma biografia da autora:
Dra. Mariam Mobed Mirmadi é professor docente do Departamento de Bioengenharia da Universidade de Santa Clara. Os seus atuais interesses de investigação incluem simulação, otimização e validação estatística de plataformas relacionadas com biomateriais em múltiplas escalas, incluindo aplicações de energia sustentável.
Kendall DeFelippi Formou-se na Universidade de Santa Clara em dezembro de 2023 com mestrado em bioengenharia. Além de trabalhar em aplicações médicas de microagulhas (MN), ela também estuda dimensionamento de microagulhas em aplicações de bioprocessamento. Kendall atualmente trabalha como Cientista Associado na Neurocrine Biosciences em San Diego, Califórnia.
Kristy Kwong é formado em bioengenharia e cursa bacharelado/mestrado de cinco anos na Universidade de Santa Clara e trabalha como engenheiro em tempo parcial na Stryker Medical. Ela continua a estudar as propriedades quantitativas de punção de materiais macios.
Julia Applegate é estudante de engenharia elétrica na Universidade de Santa Clara, fazendo mestrado. Recebedora da bolsa de graduação Claire Booth, sua pesquisa em bioengenharia se concentra na exploração das propriedades mecânicas e elétricas de redes de hidrogel tetrafuncionais em dispositivos biomédicos e aplicações de bioenergia.
Rana Altay é doutorando no laboratório do Dr. Araci na Universidade de Santa Clara. Sua pesquisa envolve a interseção de microfluídica e tecnologia vestível. Ela estudou engenharia mecatrônica na Universidade Sabanci em Türkiye antes de frequentar a Universidade de Santa Clara.
Maya Matheny é candidato ao primeiro ano de medicina na Keck School of Medicine da USC. Ela se formou em bioengenharia pela Universidade de Santa Clara, onde se interessou por biofabricação. Maya é apaixonada por promover a equidade nos cuidados de saúde e combinar conhecimento técnico com atendimento compassivo ao paciente.
Maggie Dubs é estudante do primeiro ano de medicina na Faculdade de Medicina da Universidade do Colorado. Ela obteve seu bacharelado em bioengenharia pela Universidade de Santa Clara, onde desenvolveu suas habilidades de pesquisa translacional. Maggie dedicou toda a sua carreira médica à integração da pesquisa translacional com atendimento compassivo e de alta qualidade ao paciente.
lírio eribes Trabalha como engenheiro na Microchip Technology Inc. no Arizona. Ela se formou em bioengenharia pela Santa Clara University, onde trabalhou como pesquisadora e bolsista de inovação em saúde.
