DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82564-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753609
تاريخ النشر: 2025-01-03
المؤلف: Xiaodan Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
في هذه الدراسة، أجرينا تحليلًا شاملاً للإبر الدقيقة المجوفة المصنوعة من ثلاثة مواد: أكسيد الهافنيوم (HfO₂)، حمض البوليغليكوليك (PGA)، وحمض البوليلاكتك (PLA). باستخدام ANSYS، قمنا بإجراء تحليل هيكلي ودراسات ثقب الجلد من خلال تصميم تجربة متعامدة L₉(3⁴)، مما أسفر عن 27 نموذجًا متميزًا للإبرة الواحدة بناءً على اختلافات في الطول، وقطر الرأس، وقطر القاعدة. كشفت نتائجنا أن الهيكل الأمثل للإبرة الواحدة كان متسقًا عبر جميع المواد الثلاث، مما يدل على خصائص مستقلة عن المادة.
شملت التحقيقات الإضافية تطوير نماذج متعددة الإبر (إبر مزدوجة، ثلاثية، وخمسة إبر) بناءً على الهيكل الأمثل للإبرة الواحدة، مع تباينات في المسافات. قيمت المحاكاة أقصى إجهاد أثناء الثقب، بينما درست الدراسات الهيدروديناميكية خصائص تدفق الماء والليدوكائين الإيبوبروفين ([Lid][Ibp]) داخل تجويف الإبرة الدقيقة. أشارت النتائج إلى أن المسافة المثلى للإبر المتعددة تعتمد على المادة، وأن سرعة تدفق السوائل مرتبطة إيجابيًا بالضغط. من الجدير بالذكر أن زيادة الضغط تقلل بشكل فعال من فقدان سرعة التدفق في السوائل ذات اللزوجة المنخفضة، بينما تظهر السوائل ذات اللزوجة العالية استقرارًا أكبر داخل التجويف. تؤكد هذه الدراسة على أهمية خصائص المواد والمسافات في تصميم الإبر الدقيقة، مما يوفر رؤى لتحسين أنظمة توصيل الأدوية.
النتائج
تكشف نتائج التحليل الهيكلي الميكانيكي للإبر الدقيقة المجوفة المصنوعة من HfO₂ وPGA وPLA عن رؤى مهمة حول تشوهها وقدراتها على الثقب تحت الأحمال المحورية والعرضية. أشار التحليل إلى أن الهيكل G7، الذي يتميز بطوله الأطول وقطر قاعدته الأصغر، أظهر تشوهًا كبيرًا، مما يشير إلى ضعف القوة الهيكلية. كانت قيم السلامة (قيم S) لكل مادة متسقة عبر الهياكل المماثلة، مما يدل على أن التصميم الهيكلي يؤثر بشكل أساسي على الأداء. تم تحديد الهيكل الأمثل للإبرة الواحدة على أنه G9، بأبعاد 500 ميكرومتر طول، و250 ميكرومتر قطر قاعدة، و20 ميكرومتر قطر رأس، مما أدى إلى ثقب نماذج الجلد بنجاح.
أظهرت المحاكاة الإضافية على تكوينات متعددة الإبر (إبر مزدوجة، ثلاثية، وخمسة إبر) مسافات مثلى متفاوتة للثقب الفعال دون تجاوز حدود مقاومة المواد. بالنسبة لـ HfO₂، كانت المسافات المثلى 500 ميكرومتر للإبر المزدوجة، و1000 ميكرومتر للإبر الثلاثية، و500 ميكرومتر للإبر الخمسة. كانت المسافات المثلى لـ PGA هي 600 ميكرومتر للإبر المزدوجة، و400 ميكرومتر للإبر الثلاثية، و600 ميكرومتر للإبر الخمسة. أخيرًا، بالنسبة لـ PLA، كانت المسافات المثلى 700 ميكرومتر لكل من الإبر المزدوجة والثلاثية، و1200 ميكرومتر للإبر الخمسة. تسلط هذه النتائج الضوء على أهمية اختيار المواد والتصميم الهيكلي في تحسين أداء الإبر الدقيقة لتطبيقات ثقب الجلد.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير نموذج إبرة دقيقة مجوفة، مع التركيز على تصميم مخروطي مع فتح من الجانبين لتخفيف انسداد الأدوية. باستخدام نهج تصميم تجارب متعامدة (DOE)، تم إنشاء تسع تكوينات متميزة للإبر الدقيقة من خلال تغيير الأطوال (250 ميكرومتر، 350 ميكرومتر، 500 ميكرومتر)، وقطر القاعدة (150 ميكرومتر، 200 ميكرومتر، 250 ميكرومتر)، وقطر الرأس (10 ميكرومتر، 20 ميكرومتر، 30 ميكرومتر). تم اختيار ثلاثة مواد حيوية متوافقة—أكسيد الهافنيوم (HfO₂)، حمض البوليغليكوليك (PGA)، وحمض البوليلاكتك (PLA)—استنادًا إلى سمومتها المنخفضة. تم إنشاء نموذج جلد هايبرإيلاستيك لتحليل التفاعلات الميكانيكية أثناء ثقب الجلد، مع تفاصيل حول المعلمات الرئيسية مثل معامل يونغ ونسبة بواسون لكل من جلد الإبرة ومواد الإبرة.
كشف التحليل الهيكلي الميكانيكي عن أن الإبر الدقيقة المجوفة تتعرض لمجموعة متنوعة من القوى أثناء الثقب، بما في ذلك الضغط، ومقاومة الجلد، وقوى الانحناء، التي تم قياسها باستخدام المعادلات المعتمدة. بالإضافة إلى ذلك، أشارت محاكاة الديناميكا السائلة إلى أن سرعة تدفق السوائل داخل تجويف الإبرة الدقيقة تتأثر بالضغط، حيث تظهر السوائل ذات اللزوجة العالية خصائص تدفق مستقرة. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن الهيكل الأمثل للإبرة الدقيقة كان متسقًا عبر مواد مختلفة، بينما كانت المسافات في تكوينات متعددة الإبر تعتمد على المادة. تؤكد هذه النتائج على أهمية خصائص المواد واعتبارات التصميم في تعزيز فعالية أنظمة توصيل الأدوية المعتمدة على الإبر الدقيقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82564-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753609
Publication Date: 2025-01-03
Author(s): Xiaodan Zhang et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
In this study, we conducted a comprehensive analysis of hollow microneedles made from three materials: Hafnium Dioxide (HfO₂), Polyglycolic acid (PGA), and Polylactic acid (PLA). Utilizing ANSYS, we performed structural analysis and skin puncture studies by designing an L₉(3⁴) orthogonal experiment, which resulted in 27 distinct single-needle models based on variations in length, tip diameter, and base diameter. Our findings revealed that the optimal single-needle structure was consistent across all three materials, indicating material-independent properties.
Further investigations involved the development of multi-needle models (double, triple, and five-needle) based on the optimal single-needle structure, with varying spacings. Simulations assessed the maximum stress during puncture, while hydrodynamic studies examined the flow characteristics of water and lidocaine ibuprofen ([Lid][Ibp]) within the microneedle lumen. Results indicated that the optimal spacing for multi-needles is material-dependent, and the flow velocity of fluids is positively correlated with pressure. Notably, increasing pressure effectively mitigates flow velocity loss in low-viscosity fluids, while high-viscosity fluids exhibit greater stability within the lumen. This research underscores the significance of material properties and spacing in microneedle design, offering insights for optimizing drug delivery systems.
Results
The results of the structural mechanical analysis of hollow microneedles made from HfO₂, PGA, and PLA reveal significant insights into their deformation and puncture capabilities under axial and transverse loads. The analysis indicated that the G7 structure, characterized by its longer length and smaller base diameter, exhibited considerable deformation, suggesting insufficient structural strength. Safety values (S values) for each material were consistent across similar structures, indicating that structural design primarily influences performance. The optimal single-needle structure was identified as G9, with dimensions of 500 μm length, 250 μm base diameter, and 20 μm tip diameter, successfully puncturing skin models.
Further simulations on multi-needle configurations (double, triple, and five-needle) demonstrated varying optimal spacings for effective puncture without exceeding material yield strengths. For HfO₂, the optimal spacings were 500 μm for double-needles, 1000 μm for triple-needles, and 500 μm for five-needles. PGA’s optimal spacings were 600 μm for double-needles, 400 μm for triple-needles, and 600 μm for five-needles. Lastly, for PLA, the optimal spacings were 700 μm for both double and triple-needles, and 1200 μm for five-needles. These findings highlight the importance of material selection and structural design in optimizing microneedle performance for skin puncture applications.
Discussion
In this study, a hollow microneedle model was developed, focusing on a conical design with a two-side opening to mitigate drug clogging. Utilizing an orthogonal design of experiments (DOE) approach, nine distinct microneedle configurations were created by varying lengths (250 μm, 350 μm, 500 μm), base diameters (150 μm, 200 μm, 250 μm), and tip diameters (10 μm, 20 μm, 30 μm). Three biocompatible materials—hafnium dioxide (HfO₂), polyglycolic acid (PGA), and polylactic acid (PLA)—were selected based on their low toxicity. A hyperelastic skin model was established to analyze the mechanical interactions during skin puncture, with key parameters such as Young’s modulus and Poisson’s ratio detailed for both the skin and microneedle materials.
The structural mechanical analysis revealed that the hollow microneedles experience various forces during puncture, including pressure, skin resistance, and bending forces, which were quantified using established equations. Additionally, fluid dynamics simulations indicated that the flow velocity of fluids within the microneedle lumen is influenced by pressure, with high-viscosity fluids exhibiting stable flow characteristics. Notably, the study found that the optimal microneedle structure was consistent across different materials, while the spacing in multi-needle configurations was material-dependent. These findings underscore the significance of material properties and design considerations in enhancing the efficacy of microneedle-based drug delivery systems.