Design and prototyping of a novel biodegradable magnesium-based device for intravitreal release of anti-VEGF

Age-related macular degeneration (AMD) is a chronic and progressive disease of the central retina, leading cause of vision loss among people over 50 years old. The wet form of AMD account for 90% of AMD-associated acute loss of vision. The vascular endothelial growth factor (VEGF) is the trigger of choroidal neovascularization associated with wet-AMD. The most effective treatment strategy is currently represented by intravitreal injections of anti-VEGF drugs. Repeated treatments and activity assessment represent a significant burden for patients, caregivers and physicians. Thus, the aim of my PhD project is focused on the design of a biodegradable intraocular drug delivery device, made of magnesium, able to release on-label dose of anti-VEGF and reduce the burden of repeated treatments for patients, caregivers and physicians. The main steps of my research can be summarized as follows: i) implementation of a novel computational fluid-dynamic model of the ocular posterior chamber, combined with an experimental evaluation of the scleral hydraulic conductivity; ii) simulation of the injection of a hypothetical device in the vitreous cavity and analysis of the shear stresses induced on the device due to repeated ocular saccadic motions; iii) experimental and numerical evaluation of the corrosion mechanisms of the magnesium in the ocular environment on ad-hoc manufactured samples; iv) numerical study in order to define the peculiar corrosion of the magnesium layer of the device and the final design of the device itself; v) numerical investigation of anti-VEGF delivery, after its release from the device; vi) the device prototyping.

La degenerazione maculare senile è una malattia cronica e progressiva della retina centrale e rappresenta una delle principali cause di perdita della vista tra le persone con più di 50 anni. La forma umida della degenerazione maculare senile rappresenta il 90% della perdita visiva acuta che si riscontra in caso di maculopatia. Il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) è il fattore scatenante della neovascolarizzazione coroidale associata alla degenerazione maculare senile umida. La strategia di trattamento più efficace è attualmente rappresentata da iniezioni intravitreali di farmaci, in quanto anticorpi che inibiscono la proliferazione di VEGF. I trattamenti ripetuti e le frequenti valutazioni dell'attività visiva rappresentano un onere significativo per pazienti, operatori sanitari e medici. L'obiettivo del progetto riguarda la progettazione di un dispositivo a rilascio di farmaco intraoculare e biodegradabile, a base di magnesio. Il suo sviluppo consentirebbe di ridurre il peso dei frequenti trattamenti, agevolando pazienti, operatori sanitari e medici. I passaggi principali della ricerca possono essere riassunti come segue: i) implementazione di un nuovo modello fluidodinamico computazionale della camera posteriore oculare, combinato ad una valutazione sperimentale della permeabilità della sclera; ii) simulazione dell'iniezione di un ipotetico dispositivo all’interno della camera posteriore dell’occhio e analisi degli sforzi di taglio indotti sul dispositivo a causa dei ripetuti movimenti saccadici oculari; iii) valutazione sperimentale e numerica dei meccanismi di corrosione del magnesio in ambiente oculare effettuata su campioni fabbricati ad hoc; iv) studio numerico per la valutazione della corrosione del singolo strato di magnesio del dispositivo e per la definizione del design finale del dispositivo stesso; v) analisi numerica del trasporto dei farmaci utilizzati per il trattamento clinico dal dispositivo, dopo essere stati rilasciati dal dispositivo; vi) prototipazione del dispositivo.