Lösende Mikronadel-Array-Patches, hergestellt durch Lösungsmittelgussverfahren und essentielle Charakterisierung mikronadelbasierter biomedizinischer Geräte

Unsere Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung der Hautarzneimittelabgabe mittels Nano- und Mikrosystemen, wie etwa mikronadelbasierten Geräten. Diese Studie bietet eine praktikable und reproduzierbare Methode zur Herstellung auflösender Mikronadeln. Zu Beginn bereiten Sie die wässrige kolloidale Dispersion der Bestandteile der DMAPs vor, indem Sie sie in der entsprechenden Wassermenge auflösen.

Rühren Sie die Mischung kräftig um, um eine gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Lassen Sie die Polymere über Nacht minimal rühren, um eine vollständige Dispersion zu erreichen, und lassen Sie die Luftblasen während dieser längeren Rührphase aufgehen. Wenn Luftblasen bestehen, zentrifugieren Sie die polymere Dispersion bei 1000 G für fünf Minuten bei 25 Grad Celsius.

Fügen Sie die Ladung mit der gewünschten Konzentration in die polymere Dispersion ein und rühren Sie die Mischung moderat um, bis sie homogen wird, ohne neue Luftblasen hinzuzufügen. Um die Formen nun in die Bohrungen unterzubringen, verwenden Sie Modellierton oder Zahnkleber und entsorgen Sie die PDMS-Formen in die 12-Bohrloch-Platte. Gießen Sie anschließend 20 Mikroliter der medikamentengeladenen polymeren Mischung auf die PDMS-Formen.

Stellen Sie die Platte in die Zentrifuge und drehen Sie sie fünf Minuten lang bei 3000 G bei 25 Grad Celsius. Drehen Sie nun die Platte um 180 Grad und wiederholen Sie die Zentrifugation, um sicherzustellen, dass alle nadelförmigen Hohlräume gefüllt sind. Dann entfern Sie mit einer Pipette vorsichtig die überschüssige, medikamentenbelastete polymere Dispersion aus den Formen.

Das Trocknen des Medikaments erzeugte polymere Dispersion in den Formen, indem man sie 30 Minuten lang bei 600 Millibar bei 25 Grad Celsius unter Vakuum stellte. Bereite eine hochkonzentrierte polymere Dispersion ohne Medikamente vor, um die Grundplatte des DMAP-Geräts zu bilden. Stellen Sie vor der Anwendung sicher, dass die Verteilung homogen ist.

Als Nächstes gießen Sie 50 Mikroliter der arzneimittelfreien polymeren Dispersion auf die PDMS-Formen. Stelle die Platte in die Zentrifuge und drehe sie zweimal, einschließlich einer Mittelpunkt-Drehung der Platte von 180 Grad. Nach der Zentrifugation werden 100 Mikroliter Dispersion in jede Form gegeben, gefolgt von weiteren 50 Mikrolitern auf die Grundplatte nach 12 Stunden.

Lassen Sie die DMAPs in den PDMS-Formen drei bis fünf Tage bei Zimmertemperatur in einem trocken versiegelten Austrocknungsbehälter trocknen. Entforme die DMAPs vorsichtig aus den PDMS-Formen mit Pinzetten. Alternativ können Sie die DMAPs mit Scotch-Cellulose-Klebeband von den Formen abziehen.

Für die Überdruckmethode werden 150 Mikroliter der medikamentengeladenen polymeren Mischung auf die PDMS-Formen gegossen und in einen Druckbehälter gelegt. Füllen Sie den Drucktank mit Luft, bis er einen Druck zwischen drei und vier bar erreicht. Halten Sie diesen Druck mindestens 15 Minuten aufrecht.

Visualisieren Sie die DMAPs mit einer Mikrokamera mit entsprechender Vergrößerung, um die nadelartigen Projektionen zu unterscheiden. Stellen Sie den Fokus ein, um einzelne Mikronadeln klar zu erkennen. Anschließend werden die DMAPs an ein Unterstützungsgerät angeschlossen, um die Morphologie und Länge der mikronadelartigen Projektionen mittels optischer Mikroskopie zu visualisieren.

Bewerten Sie die mechanischen Eigenschaften der DMAPs, indem Sie das Gerät in einen kommerziell erhältlichen DMAP-Applikator einsetzen. Drücken Sie den Applikator 30 Sekunden lang auf eine flache Edelstahloberfläche. Nach der Kompression wird die Länge der mikronadelartigen Projektionen erfasst und der Verformungsprozentsatz berechnet, indem man die Länge vor und nach der Kompression vergleicht.

Anschließend wird die Voreinsatzkapazität der DMAPs mit einer künstlichen Ersatz-Hautmethode bestimmt, die auf thermoplastischen Folien aus Olefin-Typ basiert. Kompressieren Sie das DMAP-Gerät gegen acht gebundene Platten unter denselben Kompressionsbedingungen, die auf die Edelstahloberfläche angewendet werden. Bestimmen Sie nun die Ex-vivo-Einfügungskapazität der DMAPs anhand von Human-, Schweine- oder Nagetierhautexpflanzen, die zuvor entfernt und sorgfältig getrimmt wurden.

Reinigen Sie den Hautexplant, indem Sie ihn ein bis zwei Minuten in reichlich Wasser einweichen. Lege die Clean-Skin-Explantation auf ein mit Alufolie umwickeltes Schaumstoffmaterial, wobei die Seite des Stratum corneum nach oben zeigt. Fahren Sie mit der Einführung unter den zuvor beschriebenen Kompressionsbedingungen fort.

Lassen Sie die DMAPs bis zur Auflösung der Mikronadelspitzen in die Haut eingebracht und beobachten Sie, dass das Gerät während der Auflösung Kontakt zur Haut bleibt. Bestimmen Sie die ex-vivo Hautablagerung und -Absorption des Medikaments mit einem Franz-Diffusion-Zellaufbau. Bereiten Sie die Hautexplant mit dem zuvor beschriebenen Schnitt- und Reinigungsverfahren vor und führen Sie die DMAPs für 30 Sekunden in die Hautstruktur ein.

Klebe die Spenderkammer der Franz-Diffusionszelle mit einer angemessenen Menge Cyanoacrylat an die Haut. Lass den Klebstoff vollständig trocknen und befestige dann den Hautspender-Kammer-Komplex mit geeigneten Klemmen an der Rezeptorkammer. Abschließend wird die Probenahme gemäß dem Standard-Diffusionszellprotokoll durchgeführt.

Hergestellte DMAPs zeigten ein homogenes Aussehen mit erfolgreicher Bildung mikronadelartiger Projektionen, und der Farbstoff war innerhalb der Projektionen lokalisiert, wobei die Grundplatte frei von Medikamenten blieb. Die optische Mikroskopie zeigte, dass mikronadelartige Projektionen scharfe Spitzenspitzen hatten und vor der Kompression keine Verformung. Nach der Kompression zeigten mikronadelartige Projektionen eine sichtbare Verformung der Struktur.

In einem Modell der künstlichen Haut drangen DMAPs erfolgreich in die thermoplastische Folie ein und erzeugten sichtbare Löcher. Die Anzahl der Löcher, die in verschiedenen Schichten des thermoplastischen Modells entstehen, korrelierte mit der Tiefe des Mikronadeleinsatzes. Ex-vivo Musenhautexplants zeigten nach dem Einsetzen ein fortschreitendes Absterben der inneren Hautschichten, was mit der langfristigen Auflösung von DMAP übereinstimmt.

Histologische Untersuchung mit Eosin-Hämatoxylin-Färbung, bestätigtes Einsetzen von mikronadelartigen Projektionen in Hautabschnitte. Ein Franz-Diffusion-Zellaufbau wurde verwendet, um die Diffusion von Medikamenten durch Hautexplants zu bewerten, mit klarer Visualisierung der Spenderkammer, Haut und Rezeptorkammer. Dieses Protokoll bietet eine grundlegende Richtlinie für die Herstellung von auflösenden Mikronadelgeräten und ermöglicht es Forschern, deren Design, Leistung und biomedizinisches Anwendungspotenzial zu erkunden.

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die Kompatibilität der Ladung mit der Polymermatrix sicherzustellen. Bestimmte Ladungen können die Materialeigenschaften beeinträchtigen oder die Mikronadelleistung beeinträchtigen. Zukünftige Studien können dieses Protokoll an spezifische Medikamente und Polymere anpassen, die Präparation von Mikronadeln optimieren und Anwendungen in therapeutischen und biomedizinischen Anwendungen erweitern.