Patches dissolventes de microneedle array fabricados por técnica de fundição com solvente e caracterização essencial de dispositivos biomédicos baseados em microagulhas
January 30th, 2026
O presente trabalho tem como objetivo servir como um guia prático que permita aos pesquisadores preparar seus próprios dispositivos DMAP usando o método de fundição por solvente, também conhecido como micromoldagem, e realizar caracterizações básicas.
Nossa pesquisa foca principalmente na otimização da administração de medicamentos para a pele usando nano e microsistemas, como dispositivos baseados em microagulhas. Este estudo oferece um método viável e reprodutível para preparar microagulhas dissolventes. Para começar, prepare a dispersão coloidal aquosa dos materiais constituintes dos DMAPs, dissolvendo-os na quantidade apropriada de água.
Mexa vigorosamente a mistura para obter uma dispersão uniforme. Deixe os polímeros agitarem minimamente durante a noite para alcançar a dispersão completa, e deixe as bolhas de ar se dispersarem durante esse período prolongado de agitação. Se as bolhas de ar persistirem, centrifuge a dispersão polimérica a 1000 G por cinco minutos a 25 graus Celsius.
Adicione a carga na concentração desejada na dispersão polimérica e mexa moderadamente a mistura até que fique homogênea sem incorporar novas bolhas de ar. Agora, para acomodar os moldes nos poços, use argila para modelar ou cimento dentário e descarte os moldes PDMS na placa de 12 poços. Em seguida, fundi 20 microlitros da mistura polimérica carregada de fármacos nos moldes PDMS.
Coloque a placa na centrífuga e gire a 3000 G por cinco minutos a 25 graus Celsius. Agora, gire a placa 180 graus e repita a centrifugação para garantir o preenchimento de todas as cavidades em forma de agulha. Depois, usando uma pipeta, remova cuidadosamente o excesso de dispersão polimérica carregada de fármacos dos moldes.
Seque a dispersão polimérica carregada de fármacos nos moldes, colocando-os sob vácuo a 600 milibares por 30 minutos a 25 graus Celsius. Prepare uma dispersão polimérica altamente concentrada, livre de fármacos, para formar a placa base do dispositivo do DMAP. Certifique-se de que a dispersão seja homogênea antes do uso.
Em seguida, funda 50 microlitros da dispersão polimérica livre de medicamentos nos moldes de PDMS. Coloque a placa na centrífuga e gire duas vezes, incluindo uma rotação da placa no ponto médio de 180 graus. Após a centrifugação, adicione 100 microlitros de dispersão a cada molde, seguidos por mais 50 microlitros na base após 12 horas.
Deixe os DMAPs nos moldes de PDMS para secar por três a cinco dias em temperatura ambiente em um dessicador de vedação a seco. Desmolhe cuidadosamente os DMAPs dos moldes de PDMS usando pinças. Alternativamente, descasque os DMAPs dos moldes usando fita adesiva de celulose uísque.
Para o método de pressão positiva, fundi 150 microlitros da mistura polimérica carregada de fármacos nos moldes de PDMS e coloque-os em um tanque de pressão. Encha o tanque de pressão com ar até que ele atinja uma pressão entre três e quatro bar. Mantenha essa pressão por pelo menos 15 minutos.
Visualize os DMAPs usando uma microcâmera com ampliação apropriada para distinguir as projeções em forma de agulha. Ajuste o foco para resolver claramente microagulhas individuais. Em seguida, conecte os DMAPs a um dispositivo de suporte para visualizar a morfologia e o comprimento das projeções semelhantes a microagulhas por microscopia óptica.
Avalie as propriedades mecânicas dos DMAPs colocando o dispositivo em um aplicador de DMAPs comercialmente disponível. Comprima o aplicador contra uma superfície plana de aço inoxidável por 30 segundos. Após a compressão, registre o comprimento das projeções em forma de microagulha e calcule a porcentagem de deformação comparando o comprimento antes e depois da compressão.
Em seguida, determina a capacidade preliminar de inserção dos DMAPs usando um método substituto de pele artificial baseado em folhas termoplásticas feitas de material do tipo olefina. Comprima o dispositivo DMAPs contra oito folhas ligadas usando as mesmas condições de compressão aplicadas à superfície de aço inoxidável. Agora, determine a capacidade de inserção ex vivo dos DMAPs usando explantes de pele humana, porcina ou roedora que tenham sido previamente removidos e cuidadosamente podados.
Limpe o explante da pele deixando-o de molho em abundante água por um a dois minutos. Coloque o explant de pele limpa sobre um material de espuma enrolado em papel alumínio, com o lado do stratum corneum voltado para cima. Prossiga com a inserção usando as mesmas condições de compressão descritas anteriormente.
Deixe os DMAPs inseridos na pele até que ocorra a dissolução das pontas da microagulha e observe o dispositivo permanecendo em contato com a pele durante a dissolução. Determine a deposição e absorção da pele ex vivo usando um sistema de células de Franz-Diffusion. Prepare o explante da pele usando o procedimento de corte e limpeza descrito anteriormente e insira os DMAPs na estrutura da pele por 30 segundos.
Cole a câmara doadora da célula de Franz-Difusão à pele usando a quantidade adequada de cianoacrilato. Deixe o adesivo secar completamente e, em seguida, anexe o complexo da câmara doadora de pele à câmara receptora usando grampos apropriados. Por fim, prossiga com a amostragem de acordo com o protocolo padrão de célula de difusão.
Os DMAPs fabricados apresentavam uma aparência homogênea com formação bem-sucedida de projeções semelhantes a microagulhas, e o corante era localizado dentro das projeções, com a placa base permanecendo livre de medicamentos. A microscopia óptica revelou que projeções semelhantes a microagulhas tinham pontas afiadas e nenhuma deformação antes da compressão. Após a compressão, projeções semelhantes a microagulhas mostraram deformação visível da estrutura.
Em um modelo de pele artificial, os DMAPs penetraram com sucesso a folha termoplástica, criando buracos visíveis. O número de furos criados em diferentes camadas do modelo termoplástico correlacionava-se com a profundidade de inserção da microagulha. Explantações de pele murina ex vivo mostraram tingimento progressivo das camadas internas da pele após a inserção, consistente com a dissolução do DMAP ao longo do tempo.
Exame histológico com coloração por hematoxilina por eosina confirmou a inserção de projeções semelhantes a microagulhas em seções da pele. Uma configuração de células de Franz-Diffusion foi usada para avaliar a difusão de fármacos através de explantes cutâneos, com visualização clara da câmara doadora, da pele e da câmara receptora. Esse protocolo fornece uma diretriz fundamental para fabricar dispositivos de microagulhas dissolventes, permitindo que pesquisadores explorem seu potencial, design, desempenho e aplicação biomédica.
Um desafio chave é garantir a compatibilidade da carga com a matriz polimérica. Certas cargas podem interferir nas propriedades do material ou comprometer o desempenho das microagulhas. Estudos futuros podem adaptar esse protocolo a medicamentos e polímeros específicos, otimizando a preparação de microagulhas e expandindo aplicações em usos terapêuticos e biomédicos.
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Visão Geral
Este protocolo demonstra um método para preparar patches de matriz de microagulhas solúveis (DMAPs) usando moldagem por solvente. Também descreve técnicas essenciais de caracterização para avaliar o desempenho e as potenciais aplicações biomédicas desses dispositivos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Bioengenharia
- Sistemas de entrega de medicamentos
- Tecnologia de microagulhas
Fundo
- Microagulhas solúveis oferecem um método minimamente invasivo para entrega de medicamentos.
- A moldagem por solvente é uma técnica reproduzível para fabricar microagulhas.
- A caracterização de microagulhas é crucial para avaliar sua eficácia.
- A compatibilidade da carga de medicamentos com as matrizes poliméricas é uma consideração importante.
Objetivo do Estudo
- Fornecer um protocolo detalhado para fabricar DMAPs.
- Permitir que pesquisadores explorem o design e o desempenho de dispositivos de microagulhas.
- Avaliar o potencial de aplicação biomédica dos DMAPs.
Métodos Utilizados
- Preparação de dispersões poliméricas e carga de medicamentos.
- Processos de centrifugação e secagem para formação de microagulhas.
- Avaliação de propriedades mecânicas usando um aplicador de DMAP.
- Testes ex vivo em explante de pele para capacidade de inserção e absorção de medicamentos.
Principais Resultados
- DMAPs exibiram uma aparência homogênea com formação bem-sucedida de microagulhas.
- Microagulhas penetraram efetivamente em modelos de pele artificial.
- A análise histológica confirmou a inserção de microagulhas nas camadas da pele.
- A configuração da célula de difusão Franz demonstrou difusão de medicamentos através de explante de pele.
Conclusões
- Este protocolo fornece diretrizes fundamentais para a fabricação de DMAPs.
- Estudos futuros podem otimizar a preparação de microagulhas para medicamentos específicos.
- A pesquisa pode expandir as aplicações de microagulhas em terapêutica.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
Dissolving microneedle array patches (DMAPs) fabricated by solvent casting offer a reproducible platform for transdermal drug delivery, directly addressing the challenge of overcoming the skin barrier for biologics and small molecules. Their mechanical and biocompatibility characterization enables predictive confidence in early-stage formulation and device integration. This approach supports risk-adjusted advancement of transdermal assets and portfolio diversification in drug delivery innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic evaluation of drug-polymer compatibility for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of transdermal delivery hypotheses using ex vivo skin models.
- Facilitates rapid iteration of device design for target engagement studies.
Screening & Assay Development
- Provides standardized mechanical and insertion testing for reproducible device assessment.
- Generates quantitative readouts on microneedle integrity and skin penetration depth.
- Establishes assay-ready DMAPs for downstream drug release and absorption studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns ex vivo skin penetration and drug diffusion data with preclinical model requirements.
- Supports continuity from benchtop device optimization to in vivo validation workflows.
- Enables risk-adjusted selection of DMAP formulations for further translational development.
Pipeline & Workflow Integration
DMAP fabrication and characterization integrate into the discovery-to-preclinical continuum, bridging formulation, device engineering, and early pharmacokinetic assessment.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing for skin barrier bypass and drug delivery efficiency.
- Screening: Delivers reproducible mechanical and insertion data for device selection.
- Analytics: Provides quantitative outputs on deformation, penetration, and drug diffusion.
- Translational Research: Connects ex vivo performance to preclinical model readiness.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular protocol adaptable to diverse drug cargos and polymers.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in transdermal delivery feasibility and target validation.
- Operational Value: Standardizes device fabrication and characterization for scalable R&D workflows.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for transdermal assets and reduces late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of novel drug-device combinations.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer science, drug formulation, and device engineering.
- Needs access to centrifugation, vacuum drying, and microscopy instrumentation.
- Demands cross-team standardization of mechanical and insertion assays.
- Adaptation may be needed for different drug cargos and polymer matrices.
- Potential limitations include cargo-polymer compatibility and ex vivo model variability.
