Optimization and fabrication of dissolvable microneedle arrays for glucosamine, chondroitin, and hyaluronic acid for osteoarthritis treatment
Osteoartrit tedavisi için glukozamin, kondroitin ve hyaluronik asit için çözünebilir mikroiğne dizilerinin optimizasyonu ve üretimi
- Tez No: 759556
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BEKİR BEDİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Hipodermik enjeksiyonlar ve oral ilaçlar gibi geleneksel ilaç dağıtım sistemlerine kıyasla çeşitli avantajları nedeniyle, mikroiğne dizileri (MNA'lar) umut verici bir ilaç dağıtım sistemidir. İğne geometrisi, MNA'nın performansını etkileyen önemli bir faktördür. Bu nedenle, sayısal modeller geliştirmek ve iğne geometrisini optimize etmek oldukça önemlidir. Bu çalışmada, MNA'ların optimum tasarımını belirlemek için çok amaçlı bir optimizasyon çerçevesi sunulmaktadır. Bu amaçla, dikilitaş geometrisine sahip tek bir mikro iğnenin (MN) üç boyutlu modeli geliştirilmiştir. Deriyi delme sürecini simüle etmek için iğnenin uç bölgesine bir yük uygulanmaktadır. Kuvvetin oryantasyonuna bağlı olarak, burkulma veya bükülme nedeniyle yapıda kırılma olabileceğinden, iğne genişliği, uç (tepe) açısı, taban köşe yarıçapı gibi geometrik özellikleri elde etmek için baskın olmayan sıralama genetik algoritması II'ye (NSGA-II) dayalı çok amaçlı bir optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Buradaki amaç, iğnelerin deriye sorunsuz bir şekilde girmesini sağlamaktır; bu nedenle amaç fonksiyonu, yapı boyunca meydana gelen maksimum gerilmeyi en aza indirecek şekilde ayarlanmıştır. Sonuç olarak, seçilen boyutlar 8.8'lik bir güvenlik faktörü sağlar. Daha sonra iğnelerin optimize edilmiş geometrisi kullanılarak, MNA'lar için ana (erkek) kalıplar mekanik mikro işleme prosesi kullanılarak PMMA'dan üretilmiştir. Bu imalat yöntemi, temel olarak geometri yeteneği, üretim hızı, üretim maliyeti ve kullanılabilecek malzemelerin çeşitliliği nedeniyle seçilmiştir. Üretilen ana kalıplar, mikro kalıplama yaklaşımıyla Polidimetilsiloksan (PDMS) üretim (dişi) kalıplarını imal etmek için tekrar tekrar kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, MNA'ların üretiminde kullanılan malzemeler esas olarak Osteoartrit (OA) uygulama amacı için ele alınmıştır. Osteoartrit en yaygın artrit türü olup eklem kıkırdağının yanı sıra sinovyal eklemin bileşenleri olan subkondral kemik, sinovyum, eklem kapsülü ve başta bağlar olmak üzere eklem çevresi yumuşak dokuları da ilgilendiren dejeneratif ve destrüktif bir kronik hastalıktır. Osteoartrit tedavisinin temel amacı eklemin yapı ve işlevlerini korumak, inflamasyonu ve fibrozisi azaltmak ve progresif kıkırdak kaybını önlemektir. Glukozaminoglikan (GAG), Kondroitin (CS) ve hiyaluronik asit (HA) içeren, hasara uğramış kıkırdak matris bileşenlerinin yerine konmasını hedefleyen medikal destek tedavileri, cerrahi olarak eklem replasmanına gitmeyi önleyici rejeneratif stratejiler arasında yer almaktadır. Dolayısıyla GAG ve CS'in ağrıyı azaltabilmesi için ağız yoluyla yüksek dozda, sürekli ve haftalar-aylar boyunca alınması gerekir. Ancak bu alım gastrointestinal sistemde yan etkiye yol açabilir. Bu nedenle MNA'lar kullanılarak hedeflenen dozda deri altına istenilen tedavi edici maddeler lokal olarak uygulanarak hepatik ilk geçiş etkisi engellenerek bu yan etkilerin önlenmesi amaçlanır. Son olarak, belirtilen biyoaktif kargoya sahip çözünebilir bir polimer, çözünebilir MNA'ları üretmek için vakum altında üretim kalıplarına dökülür. Üretilen iğnelerin performansını karakterize etmek ve göstermek için, (i) taramalı elektron mikroskobu kullanılarak üretilen iğnelerin geometrileri incelenmiş ve hedeflenen boyutlardan 0.75$\%$-0.80$\%$ farkla fabrikasyon geometrilerin doğruluğunu gösterdi, ve (ii) bu iğneler kullanılarak yapay delme, sitotoksisite, çözünme, çizik testi ve HPLC dahil olmak üzere bir dizi in vitro test gerçekleştirilir. Optimize edilmiş MN geometrilerinin sunulan üretim metodolojisi kullanılarak hassas bir şekilde üretilebileceği ve üretilen MNA'ların ilaç dağıtımı ve mekanik fizibilite konusunda umut verici sonuçlara sahip olduğu gösterilmiştir. testleri yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
Due to their various advantages compared to conventional drug delivery systems such as hypodermic injections and oral medications, microneedle arrays (MNAs) is a promising drug delivery system. Needle geometry is an important parameter to achieve enhanced performance of the MNA. Thus, it is crucial to develop numerical models and optimize the needle geometry. In this work, a multi-objective optimization framework is presented to determine the optimum design of MNAs. For this purpose, a three-dimensional model of a single microneedle (MN) is developed. To simulate the insertion process, a load is applied at the tip region. Since depending on the orientation of the force, the failure can be either due to the buckling or bending, a multi-objective optimization based on non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) is performed to obtain geometrical properties such as needle width, tip (apex) angle, base fillet radius. The objective is to prevent mechanical failure when the needles are inserted into the skin; thus the objective function is set to minimize the maximum stress occurring throughout the structure. As a result, the chosen dimensions provides a safety factor of 8.8. Based on the optimized geometry of the needles, master molds for MNAs are then fabricated from PMMA using mechanical micromachining process. This fabrication method is selected mainly due to the geometry capability, production speed, production cost, and the variety of materials that can be used. These fabricated master molds are used repeatedly to fabricate Polydimethylsiloxane (PDMS) production (female) molds through micro-molding approach. In this study, the materials utilized in fabrication of MNAs are mainly considered for the application purpose of Osteoarthritis (OA), which is a degenerative chronic disorder, not only affecting the articular cartilage, but also the subchondral bone, synovium, joint capsule, and soft tissues around the joint. The main purpose of OA treatment is to preserve the structure and functions of the joint, reduce inflammation and fibrosis, and prevent progressive cartilage loss. Medical support therapies including glucosaminoglycan (GAG), chondroitin (CS), and hyaluronic acid (HA), are among the regenerative strategies to prevent surgical joint replacement. However, they must be taken orally in high doses, continuously and for weeks to months causing series of side effects in the gastrointestinal system. Therefore, to prevent these side effects by using MNAs to apply the desired therapeutic substances locally under the skin at the targeted dose preventing the hepatic first pass effect. Ultimately, a dissolvable polymer with the stated bioactive cargo is cast into the production molds under vacuum to produce the dissolvable MNAs. To characterize and demonstrate the performance of the fabricated needles, (i) scanning electron microscope images are taken which show the accuracy of the fabricated geometries with a 0.75$\%$-0.80$\%$ difference from the targeted dimensions, and (ii) a series of in-vitro tests are performed including piercing, cytotoxicity, dissolution, scratch assay and HPLC. It is shown that optimized MN geometries can be precisely fabricated using the presented fabrication methodology and the fabricated MNAs have promising results regarding drug delivery and mechanical feasibility.
Benzer Tezler
- Towards implanted biosensors: Methods for miniaturising and protectingpeptide-based electrochemical sensors
Başlık çevirisi yok
AHMET UÇAR
- Design and fabrication of polymer magnetic actuators for scanning
Tarama uygulamaları için polimer manyetik tahrikleyici tasarımı ve üretimi
OLGAÇ ERGENEMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY
- Güneş hücresi ve lazer uygulamaları için büyütülen SB tabanlı III-V grubu yarıiletken yapıların incelenmesi
Investigation of grown SB-based III-V group semiconductor structures for solar cell and laser applications
SABAHATTİN ERİNÇ ERENOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU ARPAPAY
- Fabrication and characterization of negative curvature hollow core polymer optical fibers for near-infrared light guidance
Yakın kızılötesi ışık yönlendirmesi için dışbükey hollow core polimer optik fiberlerin üretimi ve karakterizasyonu
MAHMUDUR RAHMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN DURGUN
DR. MUSTAFA ORDU
- Fabrication and characterization of single crystalline silicon solar cells
Tek kristal silikon güneş gözeleri üretimi ve karakterizasyonu
FIRAT ES
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. DR. RAŞİT TURAN