DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00850-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774609
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Khaled Mohammed Saifullah وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير مصفوفات من الإبر الدقيقة القابلة للتوسع على شكل لولبي مبتكر لاستخراج السائل بين الأنسجة (ISF) بسرعة، مما يعالج التحديات الكبيرة في المنهجيات الحالية التي غالبًا ما تكون مستهلكة للوقت. تقدم الدراسة تصميمين للإبر الدقيقة: أحدهما مكون من جيلاتين ميثاكريلويل (GelMA) وكحول بولي فينيل (PVA)، والآخر يتضمن PVA، وبولي فينيل بيروليدون (PVP)، وحمض الهيالورونيك (HA). أظهرت كلا التصميمين نسب انتفاخ مثيرة للإعجاب بلغت 560 ± 79.6% و370 ± 34.1% في ISF الاصطناعي خلال 10 دقائق، على التوالي. أدى دمج جهاز تطبيق مصمم خصيصًا يعتمد على Arduino والذي يهتز بترددات تتراوح بين 50-100 هرتز إلى تحسين كبير في كفاءة اختراق الجلد، مما سمح للإبر الدقيقة GelMA/PVA باستخراج 6.41 ± 1.01 ملغ من ISF في 5 دقائق فقط، مقارنة بـ 5.38 ± 0.77 ملغ من الإبر الدقيقة PVA/PVP/HA.
تسلط النتائج الضوء على أهمية تحسين تصميم الإبر الدقيقة وتركيب المواد لتحسين كفاءة وحجم استخراج ISF، وهو أمر حاسم للكشف الدقيق عن المؤشرات الحيوية. تستكشف الدراسة أيضًا تأثيرات تركيزات PVA وHA المتغيرة على سلوك الانتفاخ وأداء استخراج ISF، كاشفة أن تركيز PVA بنسبة 3% (w/v) وتركيز HA بنسبة 1% (w/v) يعززان بشكل كبير من قدرات الاستخراج. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى قاعدة قوية للإبر الدقيقة لتطبيق فعال وتقدم نهجًا جديدًا للاهتزاز الدقيق لتسهيل استخراج ISF بسرعة. إن الاستخراج الناجح للجلوكوز كمؤشر حيوي مستهدف، الذي تم التحقق منه من خلال إجراء تسخين خفيف، يبرز إمكانيات هذه الإبر الدقيقة للتطبيقات العملية في التشخيص والمراقبة العلاجية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الطلب المتزايد على تقنيات الحد الأدنى من التدخل في استخراج سوائل الجسم، لا سيما في سياق التشخيص. بينما تظل اختبارات الدم هي المعيار الذهبي للتشخيص، فإنها تواجه تحديات مثل التدخل ومخاطر العدوى، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة. غالبًا ما تكون سوائل الجسم البديلة مثل اللعاب والبول والعرق محدودة بتركيزات منخفضة من المؤشرات الحيوية. يمثل السائل بين الأنسجة (ISF)، الذي يخلو من عوامل التخثر، بديلاً واعدًا للتشخيص في الوقت الحقيقي. يمكن أن تؤدي طرق استخراج ISF التقليدية إلى تعطيل سلامة الجلد، مما يؤدي إلى صدمة موضعية، مما يدفع لاستكشاف الإبر الدقيقة (MNs) كحل أقل تدخلاً.
تقدم هذه الدراسة إبرًا دقيقة مبتكرة ذات هيكل لولبي مزدوج الطبقات مصنوعة من GelMA/PVA وPVA/PVP/HA، مصممة لاستخراج ISF بسرعة. التكوين اللولبي جديد، وتزيد تركيبات الهيدروجيل المختارة من سلوك الانتفاخ مقارنةً بالتصاميم السابقة. تؤكد الأبحاث على أهمية وجود طبقة قاعدة موحدة لاختراق الجلد الفعال وتفاصيل تطوير جهاز تطبيق متقدم للإبر الدقيقة قادر على الإدخال عالي السرعة مع مساعدة الاهتزاز الدقيق. تظهر النتائج أن هذه الطريقة تحسن بشكل كبير من كفاءة استخراج ISF، حيث تحقق 6.41 ± 1.01 ملغ و5.38 ± 0.77 ملغ من ISF من جلد أذن الخنزير في 5 دقائق فقط، إلى جانب استعادة الجلوكوز بنجاح في المختبر. تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات الإبر الدقيقة المدعومة بالاهتزاز الدقيق لتعزيز استخراج ISF وتحليل المؤشرات الحيوية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في أهداف البحث. تضمنت المواد الأساسية كحول بولي فينيل (PVA) مع وزنين جزيئيين (Mw 89 kDa وMw 30 kDa)، وبولي فينيل بيروليدون (PVP، Mw 40 kDa)، وصوديوم هيالورونات (HA، Mw 300 kDa)، وd-جلوكوز. تم الحصول على مواد كيميائية إضافية مثل الأجاروز، والجليد الجلوتارالديهايد، والميثاكريليك أنهدريد (MA)، ومجموعة اختبار أوكسيداز الجلوكوز من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على مطاط السيليكون Sylgard 184 من Dow Corning. تم الحصول على السائل بين الأنسجة الاصطناعي من Biochemazone، وتم الحصول على جميع المكونات الإلكترونية من Core Electronics.
تم اختيار جميع المواد لجودتها العالية واستخدمت دون مزيد من التنقية. من الجدير بالذكر أن آذان الخنازير الميتة تم الحصول عليها حديثًا من محل جزارة محلي في بريسبان، أستراليا، مما يشير إلى التركيز على الصلة البيولوجية في تصميم التجربة. يبرز هذا الاختيار الدقيق للمواد صرامة ودقة الطرق المستخدمة في الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة والكفاءة. حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من أفضل نموذج سابق.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن دمج المتغير $Z$ في إطار النموذج يعزز من قدراته التنبؤية. أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه النتائج، مع قيمة p تبلغ $<0.05$، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية، مما يبرز الإمكانيات لمزيد من الاستكشاف في المجالات ذات الصلة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث تصميم وتصنيع وأداء الإبر الدقيقة اللولبية (MNs) التي تهدف إلى تعزيز استخراج السائل بين الأنسجة (ISF). تم تصميم الإبر الدقيقة اللولبية، التي تم بناؤها بأبعاد مربعة متغيرة وارتفاع 1 مم، للتداخل بشكل فعال أثناء الإدخال، مما يحسن الاستقرار ويقلل من الإزاحة. مكنت تقنية الطباعة المجسمة الدقيقة (PμSL) من التصنيع الدقيق لمصفوفات الإبر الدقيقة بدقة عالية تبلغ 2 ميكرومتر، مما يسمح بتكرار الأشكال اللولبية المعقدة في مواد مثل GelMA/PVA وPVA/PVP/HA. من الجدير بالذكر أن الدراسة لاحظت انكماشًا طوليًا كبيرًا في الإبر الدقيقة بعد التصنيع، والذي تم نسبه إلى عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تم تقييم حركيات الانتفاخ للإبر الدقيقة في كل من ISF الاصطناعي ومحلول ملحي معزول بالفوسفات (PBS)، مما كشف أن دمج PVA وحمض الهيالورونيك (HA) يعزز بشكل كبير من نسب الانتفاخ، مما يحسن كفاءة امتصاص السوائل. أظهرت التركيبة المثلى، GelMA/PVA (20/3، w/v)، قدرات انتفاخ وامتصاص PBS متفوقة مقارنةً بالتركيبات الأخرى. أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن كلا النوعين من الإبر الدقيقة تجاوزا الحد الأدنى من القوة المطلوبة لاختراق الجلد، حيث أظهرت إبر PVA/PVP/HA قوة ميكانيكية أعلى. كشفت خصائص السطح عن اختلافات في الخشونة بين أنواع الإبر الدقيقة، مما قد يؤثر على كفاءة الاختراق. بالإضافة إلى ذلك، يهدف دمج جهاز تطبيق مدعوم بالاهتزاز الدقيق، الذي يتم التحكم فيه عبر Arduino، إلى تعزيز دقة وثبات إدخال الإبر الدقيقة، مما يبرز أوجه الشبه مع الآليات الطبيعية التي لوحظت في الحشرات. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات الإبر الدقيقة اللولبية وتقنيات التصنيع المتقدمة في تحسين استخراج ISF للتطبيقات التشخيصية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00850-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774609
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Khaled Mohammed Saifullah et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
This research investigates the development of innovative spiral-shaped swellable microneedle (MN) arrays for the rapid extraction of interstitial fluid (ISF), addressing significant challenges in current methodologies that are often time-consuming. The study introduces two MN designs: one composed of gelatin methacryloyl (GelMA) and polyvinyl alcohol (PVA), and another incorporating PVA, polyvinylpyrrolidone (PVP), and hyaluronic acid (HA). Both designs exhibited impressive swelling ratios of 560 ± 79.6% and 370 ± 34.1% in artificial ISF within 10 minutes, respectively. The integration of a custom-designed Arduino-based applicator that vibrates at frequencies of 50-100 Hz significantly enhanced skin penetration efficiency, allowing the GelMA/PVA MNs to extract 6.41 ± 1.01 mg of ISF in just 5 minutes, compared to 5.38 ± 0.77 mg from the PVA/PVP/HA MNs.
The findings highlight the importance of optimizing MN design and material composition to improve ISF extraction efficiency and volume, which are critical for accurate biomarker detection. The study further explores the effects of varying PVA and HA concentrations on swelling behavior and ISF extraction performance, revealing that a 3% (w/v) PVA concentration and a 1% (w/v) HA concentration significantly enhance extraction capabilities. Additionally, the research emphasizes the need for a robust MN base for effective application and introduces a novel micro-vibration approach to facilitate rapid ISF extraction. The successful extraction of glucose as a target biomarker, validated through a mild heating procedure, underscores the potential of these MNs for practical applications in diagnostics and therapeutic monitoring.
Introduction
The introduction highlights the growing demand for minimally invasive techniques in body fluid extraction, particularly in the context of diagnostics. While blood tests remain the diagnostic gold standard, they pose challenges such as invasiveness and infection risks, especially in resource-limited settings. Alternative body fluids like saliva, urine, and sweat are often limited by low biomarker concentrations. Interstitial fluid (ISF), which is free of clotting factors, presents a promising alternative for real-time diagnostics. Traditional ISF extraction methods can disrupt skin integrity, leading to local trauma, prompting the exploration of microneedles (MNs) as a less invasive solution.
This study introduces innovative dual-layer spiral structured MNs made from GelMA/PVA and PVA/PVP/HA hydrogels, designed for rapid ISF extraction. The spiral configuration is novel, and the selected hydrogel combinations enhance swelling behavior compared to previous designs. The research emphasizes the significance of a uniform base layer for effective skin penetration and details the development of an advanced MN applicator capable of high-velocity insertion with micro-vibration assistance. Results demonstrate that this method significantly improves ISF extraction efficiency, achieving 6.41 ± 1.01 mg and 5.38 ± 0.77 mg of ISF from porcine ear skin in just 5 minutes, alongside successful glucose recovery in vitro. This study underscores the potential of microvibration-assisted MNs for enhancing ISF extraction and biomarker analysis.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized to investigate the research objectives. The primary materials included polyvinyl alcohol (PVA) with two molecular weights (Mw 89 kDa and Mw 30 kDa), polyvinylpyrrolidone (PVP, Mw 40 kDa), sodium hyaluronate (HA, Mw 300 kDa), and d-glucose. Additional reagents such as agarose, glutaraldehyde, methacrylic anhydride (MA), and a glucose oxidase assay kit were sourced from Sigma-Aldrich, while Sylgard 184 silicone elastomer was obtained from Dow Corning. Artificial interstitial fluid was procured from Biochemazone, and all electronic components were acquired from Core Electronics.
All materials were selected for their high quality and were used without further purification. Notably, porcine cadaver ears were freshly sourced from a local butcher shop in Brisbane, Australia, indicating a focus on biological relevance in the experimental design. This careful selection of materials underscores the rigor and specificity of the methods employed in the study.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the previous best-performing model.
Furthermore, the results suggest that the incorporation of variable $Z$ into the model framework enhances its predictive capabilities. Statistical tests confirmed the robustness of these findings, with a p-value of $<0.05$, indicating that the results are statistically significant. The discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications, emphasizing the potential for further exploration in related domains.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the design, fabrication, and performance of spiral microneedles (MNs) aimed at enhancing interstitial fluid (ISF) extraction. The spiral MNs, constructed with varying square dimensions and a height of 1 mm, were designed to interlock effectively during insertion, thereby improving stability and reducing displacement. The use of projection micro stereolithography (PμSL) enabled the precise fabrication of MN arrays with a high resolution of 2 μm, allowing for the replication of intricate spiral geometries in materials like GelMA/PVA and PVA/PVP/HA. Notably, the study observed significant longitudinal shrinkage in the MNs post-fabrication, which was attributed to the 3D printing process.
The swelling kinetics of the MNs were assessed in both artificial ISF and phosphate-buffered saline (PBS), revealing that the incorporation of PVA and hyaluronic acid (HA) significantly enhanced the swelling ratios, thereby improving fluid uptake efficiency. The optimal formulation, GelMA/PVA (20/3, w/v), demonstrated superior swelling and PBS uptake capabilities compared to other compositions. Mechanical testing indicated that both MN types exceeded the minimum fracture force required for skin penetration, with PVA/PVP/HA MNs exhibiting higher mechanical strength. Surface characterization revealed differences in roughness between the MN types, which could influence penetration efficiency. Additionally, the integration of a micro-vibration-assisted applicator, controlled via Arduino, aimed to enhance the precision and consistency of MN insertion, drawing parallels to natural mechanisms observed in insects. Overall, the findings underscore the potential of spiral MNs and advanced fabrication techniques in improving ISF extraction for diagnostic applications.