制御された経皮薬物送達のための 3D プリント中空マイクロニードル

出典: MEMS

ケント大学とストラスクライド大学の研究者らは、3Dプリント、マイクロニードル、微小電気機械システム（MEMS）技術を組み合わせた、制御された経皮薬物送達のための新しいデバイスを開発した。

経皮薬物送達は、粘着パッチを介して皮膚を通して薬物を投与することです。研究者たちは、このような方法に対応して、3D プリント、マイクロニードルパッチ、MEMS で構成される複合デバイスを開発しました。これにより、ユーザーは投与する薬剤の量を直接制御できるようになります。

この装置は3DMNMEMSと名付けられ、その主な目的は、従来の「画一的な」薬物送達方法に代わる、個別化された臨床治療を実現することです。

ケント大学の研究者の一人、ソフィア・エコノミドゥ氏は次のように語った。「マイクロニードルは、皮膚の最も浸透性の低い層である表皮を穿刺し、薬剤を真皮の微小循環に直接送達する小さな穿刺器具です。マイクロニードルは極小サイズであるため、痛みを伴わずに薬剤を送達することができ、針恐怖症などの患者の針に対する不快感を解消できます。」

「このマイクロニードル経皮薬物送達システムは、訓練を受けた専門家を必要とせずに患者が自分で薬を管理することも可能にし、治療費を削減します。」
3DMNMEMS システムディスプレイ (出典: Sophia Economidou)
マイクロモデリングと 3D プリント<br /> 従来、マイクロニードルはマイクロ成形を使用して製造されていますが、この技術はカスタマイズが難しく、初期設備コストが高くなります。研究者らはまた、マイクロモールディング技術ではマイクロニードルの内部微細構造を作製することはできないと指摘した。

そのため、研究者たちは、複雑な 3DMNMEMS デバイスを単一ステップで繰り返し再現可能な製造を実現するために、3D プリンティングに注目しました。さらに、3D プリントによりカスタマイズされたデバイスが可能になり、メーカーは特定の患者のニーズに合わせて設計を調整できるようになります。マイクロニードルパッチはオンデマンドで製造することもできるため、診療所や研究室に保管スペースを設ける必要がありません。

この分野ではこれまでにも研究例がありました。 2018年、テキサス大学ダラス校の科学者たちは、FFF 3Dプリンターを使用してマイクロニードルアレイを製造する新しい低コストの方法を開発しました。それ以来、ラトガース大学の研究者たちは、投影型マイクロステレオリソグラフィーを使用して、組織の接着を強化するための 4D プリントされた生体模倣型のプログラム可能なマイクロニードルを作成してきました。

最近、アリゾナ州立大学と南カリフォルニア大学の研究チームは、カサガイの階層構造にヒントを得て、3Dプリントされたマイクロニードルパッチを開発しました。このパッチは磁場支援3Dプリント（MF-3DP）プロセスを使用して作られており、将来的には患者に痛みを伴わずに薬剤を送達するために使用できる可能性がある。

4D プリントされたマイクロニードルには、刺入時に組織と噛み合う後方に湾曲したバーブがあり、接着力を高めます (出典: ラトガース大学)
3D プリントされたマイクロニードルパッチ<br /> 標準 CAD ソフトウェアを使用して設計されたマイクロニードルパッチは、開口部、内部マイクロチャネル、マイクロリザーバー、および流体供給用の出口を備えた中空のマイクロニードルシャフトで構成されます。マイクロニードルはステレオリソグラフィーと生体適合性ポリマーを使用して 3D プリントできますが、研究者は、その複雑な構造と正確で再現可能なプリントの必要性が 3D プリンターの能力に課題を課すことを発見しました。

研究者らは、マイクロニードルパッチに必要な先端の鋭さを実現し、内部の微細構造が詰まらない（流体の流れが制限されない）ようにすることが特に難しいと指摘している。

「ミクロレベルでは、印刷パラメータが最終製品の品質に与える影響は大きくなります。望ましい結果を得て、再現可能な印刷ソリューションを確立するには、印刷パラメータの調整や設計の適応性など、一連の最適化手順を検討して適用する必要がありました。パッチの設計がデバイスの MEMS やマイクロニードルの針に取り付けるのに非常に適していることを誇りに思います」とエコノミドゥ氏は説明しました。

3D プリントされたマイクロニードルパッチの概略図 (出典: Sophia Economidou)
3D プリントされたコンポーネントのテスト<br /> 3DMNMEMS デバイスの生体内での有効性を調べるために、研究者らはこのデバイスを使用して糖尿病のマウスにインスリンを投与しました。その後、このマウスのグループは、同じ量のインスリンを皮下注射された別のマウスのグループと比較されました。

エコノミドゥ氏によると、3DMNMEMS は血糖値をより早く（1 時間以内に）下げることができるが、皮下注射では同じ血糖値低下効果を得るのに 3 時間かかるという。結果はまた、マイクロニードルを通して皮膚組織内に薬剤が広範囲に分布したため、3DMNMEMSで治療したグループのマウスのインスリン濃度が時間の経過とともにより持続的であることを示しました。

「注射剤は皮膚に局所的な『貯蔵庫』を作り、そこから薬剤が受動拡散によって血流に放出されます」とエコノミドゥ氏は説明する。「これにより、投与から目に見える効果の発現までに時間差が生じます。マイクロニードルは薬剤を組織に拡散させるため、より速く、より持続的に吸収されます。」

3DMNMEMSデバイスの構築プロセス（出典：Sophia Economidou）

3Dプリントが治療を促進<br /> 現在、3D プリントされた中空マイクロニードルのほとんどは、2 光子重合 (2PP) によって製造されています。このタイプの 3D プリンターは高価で、印刷体積も小さいです。 2光子重合プロセスも時間がかかります。

これらの困難を克服するために、研究者たちは市販のデスクトッププリンターを利用しました。これにより、マイクロニードルパッチを正常に印刷できるようになり、製造プロセスが研究者や関心のある企業にとってよりアクセスしやすくなりました。エコノミドゥは、これが同社の技術をマイクロニードル製造の実行可能かつ持続可能な方法へと拡大するのに役立つと考えています。

「私たちは、3D プリントと MEMS を組み合わせたプラットフォーム型薬物送達デバイスを初めて報告します」と彼女は述べました。「この成果は、医療機器の原理におけるパラダイムシフトへの道を開きます。3D プリントと他の先進技術を組み合わせることは、治療を進歩させ、患者の生活を改善できる新しいデバイスを開発するための鍵となります。」

研究者たちは実験を通じて、糖尿病の制御可能な治療法を実証した。もちろん、このデバイスはさまざまな薬剤を投与するための汎用プラットフォームとして機能します。

エコノミドゥ氏は次のように付け加えた。「医療機器や薬物送達機器の 3D プリントはまだ初期段階です。この技術には、現代の臨床ケアを大きく変える大きな潜在能力があると考えています。私たちのチームは、3D プリントによる独自の経皮薬物送達システム、薬剤溶出ステント、錠剤、創傷被覆材の開発に多大な努力を払ってきました。」

エコノミドゥ氏とその同僚は、3Dプリント医療機器にMEMSとセンサーを統合する研究をさらに拡大し、洗練されたパーソナライズされたケアソリューションを提供することを目指しています。

3D プリントされたマイクロニードルの詳細については、Additive Manufacturing 誌に掲載された「制御可能なパーソナライズされた経皮薬物送達のための新しい 3D プリント中空マイクロニードル MEMS」という論文をご覧ください。

論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878

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