3Dプリントされた中空マイクロニードルは遠隔制御による感知と薬物送達を可能にする

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

遠隔による健康モニタリングと治療は、健康の公平性を促進し、地理的および社会経済的格差を埋め、医療サービスが行き届いていない地域や遠隔地の人々が質の高い医療に公平にアクセスできるようにするための重要な推進力となります。このアプローチは、ヘルスケアを民主化することで、個人の居住地や社会経済的地位に関係なく、タイムリーな介入、継続的なモニタリング、個別化されたケアを提供し、医療資源と成果の公平な分配の実現を目指します。マイクロメートルサイズの針を備えたマイクロニードルアレイ (MNA) は、薬物送達および診断のための痛みのない低侵襲性組織液操作に革命をもたらしました。カナダのビクトリア大学のモフセン・アクバリ氏と彼のチームは、比色センサーの配列を使用して間質液の pH、グルコース、乳酸を定量的に検出する統合治療診断 MNA システムと、オンデマンドの薬剤送達を可能にするリモートトリガーシステムを発表しました。超音波ネブライザーの統合により MNA が簡素化され、迅速でポンプ不要の即時薬剤投与が可能になり、システムの携帯性が向上し、複雑さが軽減されます。付属のスマートフォンアプリは、センシングコンポーネントと薬剤送達コンポーネントを接続します。システムの実証済みの機能には、pH (3〜8)、グルコース (最大 16 mM)、乳酸 (最大 3.2 mM) の検知、オンデマンドの薬物送達機能の実証、スクラッチアッセイによる送達システムのパフォーマンスの評価などがあります。この革新的なアプローチは、特に長期治療を必要とする慢性疾患の管理における薬物送達の課題に対処すると同時に、マイクロニードルセンサーによる非侵襲的な健康モニタリングへの道筋も提供します。

関連の研究内容は、2024年5月23日に「3Dプリント中空マイクロニードルによる遠隔制御センシングと薬物送達」というタイトルでAdvanced Healthcare Materialsに掲載されました。

図 1 MNA の準備図 2 3D プリントされたセンシングおよび薬物送達 MNA のイメージこのシステムは、統合された超音波アトマイザーを備えた 3D プリントされた中空マイクロニードルを使用して、オンデマンドの薬物送達と正確なバイオセンシングチャンバーを実現します (図 1A)。デジタル光処理（DLP）印刷プロセスを図1Bに示します。図 1C は、スマートフォン制御によってサポートされるセンシングおよび薬物送達システムを示しています。3D プリントされた MNA の SEM 画像は、図 1D、E に示されています。

バイオセンシングチャンバーは正方形で、その形状とサイズは図 2A に示されています。センシングと薬物送達に使用される MNA のサイズ、形状、およびコンポーネントを図 2A-C に示します。 MNA は動力計を使用して機械的にテストされ、力 - 変位グラフが図 2D に示されています。 MNA の皮膚浸透性能は豚皮膚への浸透によって評価されました。図 2E は、青色染料を使用した MNA 挿入前と挿入後の豚皮膚を示しています。 MNA浸透後の豚皮膚の断面を図2E（iv）に示す。

FIG3 バイオセンシング FIG3A は単一のバイオマーカーをセンシングするための MNA を表し、FIG3B はさまざまなバイオマーカーを同時にセンシングするための MNA を示しています。細孔径400µmのMNAと比較して、より大きな細孔径を持つMNAはより多くの液体移動を促進した（図3C）。直径 400 μm のアレイの場合、センサーの色の変化は 4 分未満で完了し、応答時間が大幅に短縮されました (濡れた領域で示されます、図 3D)。 MNA が抽出溶液をセンサーに導入すると、pH 値に応じて色が瞬時に変化し (図 3E)、pH 値が高いほどセンサーの色が青に変化しました。グルコースがセンサーに導入されると、その酸化と酸素の還元によって過酸化水素が生成され、それが次にペルオキシダーゼによる酸化ヨウ素への酸化を引き起こし、色の変化を引き起こします。図 3F に示すように、色は淡黄色 (グルコースなし) から赤色 (16 mM グルコース) に変化しました。乳酸濃度 0 から 3.2 までの結果を図 3G に示します。検出プロセスの後、センサーから撮影された写真は、赤、緑、青のチャネルで注意深く検査されました。乳酸濃度が増加すると、赤と緑のチャネルは増加傾向を示し、青のチャネルは減少傾向を示しました（図 3G）。

図 4 薬物送達この研究では、膜としてアガロースハイドロゲル層を備えたフランツセルチャンバーを使用して皮膚バリアをシミュレートしました (図 4A)。超音波補助MNAの薬物送達率は、局所およびマイクロニードル単独の薬物送達率よりもはるかに高く、マイクロニードルの薬物送達率は局所よりもはるかに優れていました（図4B）。比較のために、マイクロ3Dプリンターを使用して、孔径200µm、300µm、500µmのMNAを作製しました。孔径を大きくすると薬物送達速度が増加しました（4C）。これは、異なるMNA孔径を使用することで薬物送達速度を制御できることを示しています。 MNA はハイドロゲルに効果的に浸透し、超音波振動によって薬物送達を促進します (図 4F)。

図 5 細胞毒性この研究の目的は、薬物送達デバイスの性能を培地への直接添加の性能と比較することです。 1日後と2日後に撮影した明視野画像を使用して、傷の領域を監視しました。結果は図 5-C に示されており、超音波支援 MNA はサプリメントの直接添加に似ており、このシステムが薬剤を効果的に送達できることを示しています。システムの細胞毒性を評価するために、細胞生存率アッセイを実施しました。3D プリントされた MNA を培養培地で培養し、培養した抽出物を細胞を含むウェルに移しました。その後、さまざまな時点での細胞生存率を記録しました。対照群と比較して、細胞生存率は 24 時間後と 48 時間後に減少しましたが、統計的有意性はありませんでした (図 5D)。これは、テストされた材料が薬物送達およびセンシング用途の MNA の製造に適していることを示しています。

結論として、この研究では、バイオマーカーの検知とオンデマンドの薬物送達のための 3D プリントされた中空 MNA を備えたデバイスの可能性を調査しました。比色バイオマーカーモニタリングとオンデマンド薬物送達の二重の機能により、クローズドループオンデマンド薬物送達のための多用途で革新的なアプローチが実現します。 MNA の感知能力は、pH、グルコース、乳酸の比色分析によって実証されました。さらに、局所適用、マイクロニードルの浸透、超音波支援によるマイクロニードルの送達を含む比較研究を通じて、デバイスの薬物送達性能が評価されました。他の方法と比較して、超音波支援マイクロニードルアプローチは薬物送達において非常に効果的であり、制御された強化された薬物送達の可能性を示しています。要約すると、DLP-3D プリントされた中空 MNA を備えたウェアラブルデバイスは、オンデマンドの薬物送達と健康モニタリングのための多面的なソリューションを提供します。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202400881

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