L'amembrana costituita da fili di un polimero comunemente usato nelle suture vascolari può essere caricata con farmaci terapeutici e impiantata nel corpo, dove le forze meccaniche attivano il potenziale elettrico del polimero e rilasciano lentamente i farmaci.

Il nuovo sistema sviluppato da un gruppo guidato da bioingegneri presso UC Riverside e pubblicato in Materiali biologici applicati ACS , supera i maggiori limiti della somministrazione di farmaci convenzionali e di alcuni metodi a rilascio controllato, e potrebbe migliorare il trattamento del cancro e di altre malattie croniche.

Gli svantaggi della somministrazione di farmaci convenzionali includono la somministrazione ripetuta, biodistribuzione non specifica nei sistemi del corpo, l'insostenibilità a lungo termine delle molecole dei farmaci, ed elevata citotossicità, ponendo una sfida per il trattamento efficiente delle malattie croniche che richiedono dosaggi di farmaci variabili nel tempo per un'efficacia terapeutica ottimale. La maggior parte dei metodi di rilascio controllato incapsulano particelle di farmaco in materiali biodegradabili, contenitori simili a bolle che si dissolvono nel tempo per rilasciare il farmaco, rendendo difficile consegnare i farmaci in base a un programma. Altri riguardano un dispositivo alimentato a batteria che non è biocompatibile.

Jin Nam, professore associato di bioingegneria presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering di UC Riverside, gestisce un laboratorio che lavora con polimeri biocompatibili per costruire strutture note come scaffold che aiutano le cellule staminali a riparare tessuti e organi. Uno di questi polimeri, poli(fluoruro di vinilidene-trifluro-etilene), o P(VDF-TRFE), può produrre una carica elettrica sotto stress meccanico. Nam ha realizzato questa proprietà, noto come piezoelettricità, ha reso il polimero un candidato potenzialmente valido per un sistema di rilascio di farmaci.

Il suo team ha utilizzato una tecnica chiamata elettrofilatura per produrre nanofibre di P(VDF-TrFE) stratificate in un sottile tappetino. La strutturazione del materiale in nanoscala mediante elettrofilatura ha ottimizzato la sensibilità delle nanofibre risultanti in modo che il sistema di somministrazione del farmaco rispondesse a grandezze di forza fisiologicamente sicure pur rimanendo insensibile alle attività quotidiane. L'ampia superficie delle nanofibre ha permesso loro di adsorbire una quantità relativamente grande di molecole di farmaco.

Dopo aver incorporato il film in un idrogel che imita il tessuto vivente, una serie di test che utilizzano onde d'urto terapeutiche ha generato una carica elettrica sufficiente per rilasciare una molecola di farmaco modello attaccata elettrostaticamente nel gel circostante. I ricercatori potrebbero regolare la quantità di rilascio del farmaco variando la pressione applicata e la durata.

"Questo sistema piezoelettrico di somministrazione di farmaci basato su nanofibre consente la somministrazione localizzata di molecole di farmaci su richiesta, che sarebbe utile per malattie o condizioni che richiedono a lungo termine, somministrazione ripetuta di farmaci, come i trattamenti contro il cancro, " Nam ha detto. "L'ampio rapporto superficie-volume della struttura nanofibrosa consente un maggiore carico di farmaci, portando a una singola iniezione o impianto che dura più a lungo della somministrazione convenzionale di farmaci".

Rispetto ai tradizionali sistemi di somministrazione di farmaci basati sulla degradazione o sul rilascio per diffusione che in genere mostrano un rilascio iniziale a raffica seguito da diverse velocità di rilascio, il profilo lineare del rilascio del farmaco dal sistema a base piezoelettrica consente la somministrazione precisa delle molecole del farmaco indipendentemente dalla durata dell'impianto. I test ripetuti di rilascio del farmaco su richiesta hanno mostrato una quantità simile di rilascio del farmaco per attivazione, confermando il robusto controllo della velocità di rilascio.

La sensibilità della cinetica di rilascio del farmaco può essere regolata controllando la dimensione della nanofibra su un intervallo attivato dalle onde d'urto terapeutiche, spesso utilizzato per il trattamento del dolore muscoloscheletrico con un dispositivo portatile. Più piccoli, dimensioni di nanofibre più sensibili possono essere utilizzate per l'impianto in tessuti profondi, come vicino a un osso sotto i muscoli, mentre le nanofibre più grandi meno sensibili potrebbero trovare impiego nelle applicazioni sottocutanee per evitare false attivazioni dovute a urti accidentali.