Physical supports for immobilization of drug particles or controlled drug delivery systems by bioinspired pollination

Abstract

Nos últimos anos, a administração transdérmica de fármacos foi aponte como uma via de libertação de fármacos de sucesso devido às suas enumeras vantagens. Relativamente aos sistemas convencionais, este é um sistema não doloroso, apresenta menos efeitos secundários e possibilita uma dose menos frequente. Os pensos representam a maior quota do mercado de sistemas de libertação transdérmica de fármaco. No entanto, a sua aplicação tem sido restringida pelos atuais problemas associados à sua administração passiva. Com base no conceito de biomimetismo, um novo e otimizado sistema para administração transdérmica de fármacos é aqui proposto, bioinspirado na capacidade das abelhas aprisionarem e, consequentemente, libertarem o pólen durante o processo de polinização. Assim, foi desenhado um penso hierárico biomimético obtido a partir de polidimetilsiloxano (PDMS) com um micropadrão de pilares (imitando o pêlo presente nas patas das abelhas). A otimização do sistema foi obtida pela conjugação de micropilares espaçados com a mesma distância que o diâmetro das partículas de fármaco. Obteve-se assim uma eficiência de aprisionamento de 24,8 ± 0,4 mg/cm2, estando acima dos valores obtidos para os pensos atualmente disponíveis no mercado, bem como na maioria dos trabalhos até aqui efetuados. A tetraciclina, um antibiótico modelo, foi aqui utilizado para determinar o perfil de libertação de dois sistemas diferentes: pensos com tetraciclina em pó ou com micropartículas de alginato encapsuladas com esse mesmo fármaco. Enquanto o pó de tetraciclina foi rapidamente libertado, o sistema mais complexo permitiu uma libertação controlada do composto ativo durante 5 dias. Os pensos foram caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento, microscopia de fluorescência e resistência à tração. Além disso, a atividade antimicrobiana também foi também verificada. Em suma, os resultados obtidos propõem a aplicação deste penso a nível clínico, proporcionando uma elevada concentração de fármaco que poderá resolver os problemas atuais associados aos sistemas de administração passiva de fármacos.

In the last years, transdermal drug delivery has been exploited as a successful controlled drug release route due their several advantages (e.g. no painful, less frequent dosage and side effects), being the patches the largest market share of such systems. Nevertheless, current problems associated with passive delivery patches have been limiting their application. Based on the insights behind the biomimetics concept, herein we propose as novel and optimized system for transdermal drug delivery purposes, a bioinspired patch based on the remarkable bee’s ability to catch and release the pollen during pollination. For this purpose, a hierarchical biomimetic polydimethylsiloxane (PDMS) micropatterning patch with micropillars (mimicking the hair of bee’s legs) was engineered. An optimized system was obtained through the combination of patch with micropillars spaced with the same distance as drug microparticles' diameter. In fact, an entrapment efficiency of 24.8 ± 0.4 mg/cm2 was achieved, being above the actual commercially available patches and most of the current research works. The release profile was determinate to two different systems: patches with either tetracycline hydrochloride powder or tetracycline loaded alginate microparticles, a model antibiotic. While tetracycline powder was immediately release, the most complex system allowed for a controlled and sustained release of the active pharmaceutical ingredient (API) for 5 days. The engineered patches were characterized by SEM, fluorescent microscopy, tensile strength and antimicrobial activity was also verified. The results herein obtained suggest that the optimized patch could be further developed for clinical applications, providing high drug concentration that could solve the current problems associated with passive drug delivery patches.