I prodotti farmaceutici devono i loro effetti principalmente alla loro composizione chimica, ma anche il confezionamento di questi farmaci in formulazioni fisiche specifiche deve essere eseguito secondo specifiche esatte. Per esempio, molti farmaci sono incapsulati in microparticelle solide, le cui dimensioni e forma determinano i tempi di rilascio del farmaco e la sua somministrazione a parti specifiche del corpo.

Quando si progettano queste microparticelle di farmaci, la coerenza è fondamentale, ma le comuni tecniche di produzione dei farmaci, come l'essiccazione a spruzzo e la macinazione a sfere, produrre risultati non uniformi. Il metodo ideale prevede la microfluidica, una sorta di catena di montaggio di liquidi che gocciolano microparticelle perfettamente dimensionate, uno alla volta.

Gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno ora sviluppato un sistema microfluidico in cui più di diecimila di questi dispositivi funzionano in parallelo, il tutto su un chip di silicone e vetro che può stare in una tasca della camicia.

Il potenziamento dei sistemi microfluidici è stata una sfida importante, poiché dipendono da portate strettamente controllate per produrre particelle di dimensioni coerenti. L'innovazione del team Penn è una nuova architettura fluida, costruito con la tecnologia utilizzata per produrre chip per computer, risultando in un sistema in grado di produrre queste particelle di droga mille volte più velocemente che mai.

Il gruppo, guidato da David Issadore, ricercatore presso il Dipartimento di Bioingegneria della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e Sagar Yadavali, un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio, ha delineato il design del loro sistema nella rivista Comunicazioni sulla natura . Daeyeon Lee, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, e Heon-Ho Jeong, poi studente laureato nel suo laboratorio, contribuito allo studio.

Il team Penn sta attualmente testando il proprio sistema con David Lai, un ricercatore presso GlaxoSmithKline.

Le attuali tecniche di produzione di microparticelle farmaceutiche comportano la spruzzatura in forma liquida da un ugello e il loro lasciar asciugare, o macinare particelle solide più grandi in un bicchiere. Però, poiché le microparticelle vengono prodotte in massa, ci possono essere variazioni significative nella loro dimensione e forma.

"Questi problemi di produzione significano che viene speso un'enorme quantità di tempo e denaro per la riduzione delle dimensioni, " Yadavali ha detto. "Questo porta a costi più elevati".

La microfluidica fornisce una potenziale soluzione a questi problemi. Sintetizzando i farmaci in una rete di canali e camere microscopiche, la tensione superficiale e le forze di trascinamento possono essere regolate con precisione per generare particelle di dimensioni e forma coerenti. Però, ci sono limitazioni intrinseche alla velocità di funzionamento di questi dispositivi su microscala.

"Il collo di bottiglia per aumentare la produttività della microfluidica è un problema di fisica fondamentale, " ha detto Issadore. "Non possiamo far funzionare i singoli dispositivi microfluidici più velocemente di qualsiasi altro laboratorio, perché il fenomeno microfluidico che consente di fabbricare con precisione le microparticelle del farmaco smette di funzionare al di sopra di una portata critica? —? passano dalla produzione di bolle alla creazione di getti instabili".

Le portate tipiche sono un millilitro all'ora, troppo lento per essere utilizzato in un ambiente industriale. Poiché l'aumento della portata non è un'opzione, l'unico modo per aumentare la produzione è aumentare il numero di dispositivi.

I precedenti tentativi di parallelizzazione su larga scala hanno lottato con un altro compromesso. Per distribuire il flusso uniformemente a tutti i dispositivi sul chip, ogni singolo dispositivo deve avere una forte caduta di pressione trasversale rispetto alla caduta di pressione lungo i canali di mandata che lo alimentano. Ciò si traduce in ogni dispositivo che funziona più lentamente di quanto farebbe se fosse alimentato individualmente.

I ricercatori della Penn hanno risolto questo problema separando i dispositivi in ​​due, un componente che fornisce la caduta di pressione richiesta e un altro a valle che produce le particelle. Ciò consente di incorporare molti dispositivi in ​​parallelo senza influire sul rendimento di ciascuno.

"Incorporando resistori di flusso ad alto rapporto d'aspetto a monte di ciascun dispositivo, "Yadavali ha detto, "possiamo disaccoppiare il design delle singole gocce dal design a livello di sistema, il che ci consente di incorporare qualsiasi tipo di generatore di particelle microfluidici che desideriamo, e quanti ne possiamo inserire in un chip."

Usando la litografia per incidere simultaneamente 10, 260 dispositivi in ​​un wafer di silicio da quattro pollici, inserendolo tra due lastre di vetro per realizzare canali cavi, e collegando le sue singole serie di ingressi e uscite, il sistema del team Penn produce una portata effettiva che è più di diecimila volte più veloce di quella che può essere tipicamente ottenuta in un dispositivo microfluidico.

Il team di Penn ha testato per la prima volta il loro sistema creando semplici goccioline di olio nell'acqua, a una velocità di oltre 1 trilione di goccioline all'ora. Per dimostrarlo con materiali più rilevanti per la produzione di farmaci, hanno anche realizzato microparticelle biocompatibili di policaprolattone, ad una velocità di circa 328 miliardi di particelle all'ora.

"I farmaci possono essere miscelati in microparticelle di policaprolattone, in modo che quantità controllate di farmaco possano essere rilasciate gradualmente mentre la particella si dissolve, " Ha detto Sagar. "La velocità con cui il farmaco lascia la particella dipende dalla dimensione della particella, ecco perché avere una dimensione coerente è così importante."

I ricercatori hanno solo mescolato il policaprolattone con acqua; testare un vero farmaco sarebbe stato proibitivo dato il tasso di produzione del loro sistema.

"Noi di GSK siamo lieti di far parte di una collaborazione di ricerca con i gruppi di ricerca di Daeyeon e David. Congratulazioni per una pubblicazione squisita e di grande impatto, " disse Lai.

Il sistema microfluidico del ricercatore è attualmente in grado di realizzare questo tipo di semplice confezionamento di farmaci, ma altro, sono possibili tecniche di produzione più complesse.

"Stiamo ora lavorando per implementare ulteriori operazioni microfluidica sul nostro chip, comprese le versioni miniaturizzate dell'estrazione con solvente, cristallizzazione, e altri processi tradizionali di ingegneria chimica, " Ha detto Issadore. "Portando più operazioni necessarie per formulare il farmaco sul nostro chip, si possono produrre precise formulazioni di farmaci con microparticelle "designer" su scala industriale."