Sviluppate pillole stampate in 3D per il rilascio controllato all’interno del corpo
Gli informatici del Max Planck Institute for Informatics e dell'Università della California a Davis hanno utilizzato tecniche computazionali di alto livello
In un futuro imminente, potremo anticipare l’incontro con pillole farmaceutiche stampate in 3D di forme non convenzionali. Queste pillole dalla forma particolare, lungi dall’essere una mera innovazione estetica, sono progettate per il rilascio controllato del farmaco all’interno del corpo. Questo sviluppo rivoluzionario è il risultato della combinazione di tecniche computazionali di alto livello con il campo in rapida evoluzione della stampa 3D per fabbricare oggetti che si dissolvono nei fluidi a un ritmo prestabilito.
Un team congiunto di scienziati informatici del Max Planck Institute for Informatics di Saarbrücken, in Germania, e dell’Università della California a Davis ha sperimentato questa tecnica, basata esclusivamente sulla forma dell’oggetto per il rilascio a tempo. Questo progresso ha implicazioni significative per l’industria farmaceutica, che attualmente sta dando la priorità alla ricerca e allo sviluppo nel settore della stampa 3D.
Una possibile soluzione è l’uso di strutture complesse e multicomponente con varie concentrazioni di farmaci in luoghi diversi, sebbene ciò presenti complessità di produzione. In alternativa, i progressi nella tecnologia di stampa 3D e la sua impareggiabile capacità di generare forme elaborate offrono un’opportunità per farmaci in forma libera con una distribuzione biochimica coerente nel materiale di supporto. In questo caso, il rilascio dipende esclusivamente dalla forma geometrica, semplificando l’assicurazione e il controllo della somministrazione del farmaco.
Il progetto, guidato dal Dr. Vahid Babaei (Max Planck Institute for Informatics) e dal Prof. Julian Panetta (University of California at Davis), culmina nella produzione di pillole stampate in 3D programmate per dissolversi in un determinato lasso di tempo, consentendo così il controllo del farmaco pubblicazione. Una combinazione strategica di modellazione matematica, disposizione sperimentale e stampa 3D consente al team di produrre forme 3D che erogano quantità di farmaco a tempo mentre si dissolvono. Questo può essere sfruttato per stabilire concentrazioni di farmaco predeterminate attraverso la somministrazione orale.
Dato che nessuna manipolazione esterna è possibile dopo l’ingestione nel tratto digestivo, il rilascio di farmaco desiderato dipendente dal tempo deve essere ottenuto dalla forma (superficie attiva che si dissolve) del campione. Con alcuni input computazionali, è possibile prevedere una dissoluzione dipendente dal tempo da una data forma geometrica. Ad esempio, nel caso di una sfera, corrisponde direttamente alla superficie sferica decrescente. Il team di ricerca propone una simulazione in avanti, basata sull’intuizione geometrica che gli oggetti si dissolvono strato dopo strato. Tuttavia, la sfida sta nel reverse engineering: definire prima un modello di rilascio desiderato e successivamente identificare una forma che si dissolve per corrispondere a quel profilo di rilascio.
L’ottimizzazione della topologia (TO) offre una soluzione invertendo le simulazioni in avanti per identificare una forma che manifesta una determinata proprietà. Concettualizzato inizialmente per componenti meccanici, TO ha ampliato notevolmente le sue applicazioni. Il team sta sperimentando una strategia di progettazione inversa per derivare la forma dal comportamento del rilascio utilizzando l’ottimizzazione della topologia. La dissoluzione è confermata attraverso esperimenti, con le curve di rilascio registrate che si allineano strettamente con i valori previsti.
Nella disposizione sperimentale, gli oggetti vengono stampati utilizzando una stampante 3D basata su filamenti. La dissoluzione viene valutata da un sistema di telecamere, che fornisce misurazioni effettive piuttosto che calcoli teorici da un modello matematico. Ciò si ottiene registrando otticamente la trasmittanza ottica del solvente. Rispetto ai metodi di misurazione tradizionali, che quantificano direttamente la concentrazione del principio attivo (ad esempio mediante titolazione), questo approccio è più rapido e semplice da implementare. L’uso di metodi ottici per misurare la densità dei principi attivi è stato stabilito da tempo, come nel caso della determinazione del contenuto di zucchero del succo d’uva (Öchsle) mediante rifrattometria durante la produzione del vino.
Il metodo di progettazione inversa può anche soddisfare diversi vincoli di fabbricabilità inerenti a vari sistemi di produzione. Può essere adattato per generare forme estruse, quindi non ostacolare le capacità di produzione di massa. Oltre alla sua applicazione nel settore farmaceutico, altre potenziali aree includono la produzione di corpi catalitici o anche fertilizzanti granulari grossolani.
