L’Università di Pittsburgh utilizza la stampa 3D per creare matrici di microaghi per la vaccinazione

Molte aziende hanno lavorato su alternative alla consegna di farmaci e vaccini a base di aghi, nonché per test su pazienti minimamente invasivi. Un’alternativa ampiamente studiata negli ultimi decenni sono state le matrici di microneedle mo microaghi , un tipo di dispositivo minimamente invasivo che aggira indolore la barriera principale della pelle per applicare topicamente i farmaci.

Ma questo approccio non riguarda solo la somministrazione di farmaci senza ago. Al fine di combattere le malattie, è fortemente necessario progettare sistemi per la vaccinazione attraverso la pelle, il tessuto umano più accessibile grazie alla sua sensibilità e alla risposta immunitaria molto reattiva. Recentemente, alcuni ricercatori dell’Università di Pittsburgh hanno proposto lo sviluppo di un nuovo dispositivo per la vaccinazione cutanea basato su array di microneedle (MNA) fabbricato con polimeri solubili in acqua, utilizzando una stampante 3D a polimerizzazione a due fotoni di Nanoscribe, un pioniere della produzione di additivi ad alta precisione .

Attualmente, la maggior parte dei vaccini utilizza iniezioni ipodermiche dolorose a base di ago che rilasciano antigeni nel muscolo o nei tessuti sottocutanei, che contengono meno cellule immunitarie rispetto alla pelle vitale. Inoltre, la somministrazione di questi vaccini tradizionali richiede personale sanitario qualificato, costi eccessivi per lo stoccaggio e il trasporto della catena del freddo e rischi di trasmissione di malattie e lesioni da aghi. Per affrontare questo problema, il team interdisciplinare di scienziati e ingegneri ha ideato la dissoluzione degli MNA per i sistemi di somministrazione di vaccini cutanei.

In un articolo pubblicato sul Journal of Controlled Release , i ricercatori hanno descritto il primo studio che introduce una strategia di produzione additiva per fabbricare MNA target completamente dissolti, eliminando così complicate procedure ingegneristiche.

Come affermato nello studio, gli MNA sono composti da aghi in scala micron con teste affilate a forma di piramide supportate da regioni di stelo sottosquadro con basi filettate per garantire la penetrazione e la ritenzione della pelle durante l’applicazione. Gli MNA sono fabbricati con polimeri idrosolubili che, allo stato secco, sono abbastanza forti da penetrare nello strato più esterno della pelle, quindi si dissolvono rapidamente e rilasciano il loro carico dopo l’inserimento nel tessuto idratato della pelle. Il progetto dimostra in definitiva la capacità di sciogliere gli MNA per consegnare con precisione i vaccini ai microambienti cutanei con una migliore efficienza, richiedendo dosi di vaccino relativamente più basse rispetto alle iniezioni tradizionali.

I ricercatori hanno utilizzato un sistema di stampa 3D professionale fotonico Nanoscribe presso la struttura di fabbricazione e caratterizzazione su scala nanometrica dell’università per stampare prototipi e maestri di MNA che hanno consentito la fabbricazione di matrici di microneedle dissolventi, che dovrebbero facilitare diverse strategie di immunizzazione.

La microfabbricazione 3D dei prototipi di array di microneedle prevede sei passaggi, a partire dalla progettazione CAD dell’MNA target, che viene utilizzato per produrre l’MNA master mediante la stampa laser 3D diretta. Seguita da una replica ad alta fedeltà dell’MNA principale mediante un approccio di micro-stampaggio in due fasi, e quindi dalla creazione degli stampi MNA master costituiti da più repliche MNA master su supporti MNA stampati in 3D. Questo è successo con la produzione di stampi per la produzione di MNA che vengono utilizzati per fabbricare finalmente MNA a sottosquadro a dissoluzione, che si dissolvono incorporando il vaccino bersaglio.

Mentre i tradizionali metodi di stampa 3D come la stereolitografia e la modellazione a deposizione fusa sono stati utilizzati per produrre array di microneedle non dissolvibili, gli autori hanno ritenuto che tali tecnologie non fossero sufficienti per raggiungere la risoluzione su scala nanometrica e le capacità di progettazione fornite dalla tecnologia di Nanoscribe.

Inoltre, Nanoscribe ha affermato che quando i ricercatori “progettavano array di microneedle per la somministrazione di farmaci o vaccini cutanei, la stampante 3D di Nanoscribe ha permesso loro di pensare liberamente senza preoccuparsi delle complessità del design, offrendo allo stesso tempo una grande facilità d’uso”. Hanno anche riferito che “I sistemi di Nanoscribe non solo attraggono gli ingegneri, ma impressionano anche gli scienziati medici che non hanno necessariamente esperienza nella microfabbricazione e cercano modi semplici per realizzare le loro idee. Per entrambe le discipline, la microfabbricazione 3D è diventata una tecnologia chiave per ottenere l’ottimizzazione dei sistemi di somministrazione cutanea di farmaci o vaccini. “

Alla fine, il team ha testato con successo il suo MNA in vivo. Gli MNA stampati in 3D con antigeni sono stati applicati sulla pelle addominale nei topi per periodi da 5 a 20 minuti per dimostrare l’erogazione efficace del vaccino multicomponente. Ancora più importante, affermano di aver dimostrato che la vaccinazione cutanea con MNA carichi di antigeni ha suscitato risposte immunitarie cellulari e umorali più potenti specifiche dell’antigene rispetto all’immunizzazione tradizionale mediante iniezione intramuscolare.

Nuovi sistemi di rilascio di farmaci, come array di microneedle, possono beneficiare dei processi di replicazione necessari per migliorare la produzione. Questi progressi aiuteranno a muoversi verso la scalabilità richiesta nella produzione industriale per l’applicazione diffusa della vaccinazione cutanea.

Questa nuova forma di rilascio di farmaci è in fase di sviluppo in un momento in cui i ricercatori di tutto il mondo stanno correndo per sviluppare vaccini per prevenire in modo sicuro ed efficace la diffusione di una varietà di malattie, in particolare COVID-19, causate dal coronavirus SARS-CoV-2. In effetti, Louis Falo, coautore del documento e ricercatore presso la School of Medicine dell’Università di Pittsburgh , ha anche recentemente annunciato che insieme ai colleghi hanno sviluppato un potenziale vaccino contro la SARS-CoV-2 che è stato testato con successo in topi, ed è stato somministrato usando cerotti MNA che rilasciavano biocargo sulla pelle per aumentare la potenza.

Con il potenziale impatto su una vasta gamma di applicazioni di vaccinazione cutanea e non cutanea e di somministrazione di farmaci, il nuovo sistema di somministrazione di vaccini può essere una componente fondamentale del futuro dei metodi di somministrazione dell’immunizzazione. L’introduzione di antigeni nel corpo attraverso cerotti MNA anziché aghi può cambiare il modo in cui molte persone accedono ai vaccini, specialmente nei paesi in via di sviluppo, nelle aree rurali e nelle regioni povere, dove ci sono fornitori sanitari limitati qualificati per amministrare iniezioni e le condizioni per il trasporto di vaccini attuali sono costoso e difficile da trovare. Ogni anno, quasi 1 bambino su 10 non riceve alcuna vaccinazione e oltre 1,5 milioni di persone in tutto il mondo muoionoda malattie prevenibili con il vaccino. Se la ricerca e i test sui vaccini possono cambiare i metodi di applicazione, gli scienziati amplieranno la disponibilità e faciliteranno l’accesso all’immunizzazione che può aiutare a prevenire decessi prematuri.

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