Magnetically controlled microdevices for pH triggered drug release from hyrogels

The development of novel drug delivery systems is a field subjected to an increasing interest by the scientific community, due to the growing request of more effective therapies, on-demand and tailored disease treatments and drug patents expirations. In this field, a lot of efforts are dedicated to rate-controlled release of drugs, and on-target delivery of drugs. This double objective might be achieved with the aid of composite materials, i.e. materials that have the best properties of two or more very different systems. This multidisciplinary approach, typical of the drug delivery field, allows exploiting the best features of a lot of different technologies. In this thesis work, we investigated the possibility of using 3D-printed magnetic microdevices, coated with drug loaded hydrogels, in order to have both the on-target delivery and the controlled and pH-triggered release. In collaboration with +LAB of Politecnico di Milano the basic scaffold structure of the microdevices has been 3D printed in DL260 resin. With SEE Lab of Politecnico di Milano the metallization procedures have been carried out according to a layer by layer logic, in order to turn them both magnetically actuable and biocompatible. Once metallized, they have been properly coated with the hydrogel Sodium Alginate, which we loaded together with a mimic drug for 2 different set of tests: • Steric loading of 2 mimic drugs with very different steric hinderance: Rhodamine B and Dextran 70k Da. • Chemical loading of Rhodamine B to the alginate chains via 2 different kind of bonds: amidic-bond and ester-bond. At last, in collaboration with ETH of Zurich, the magnetic actuation of the final hydrogel coated microdevices have been tested with the OctoMag technology. The effect of the hydrogel coating on the mobility of the microdevices has been tested in apposite arenas by comparing the relationship velocity – frequency of rotation of the magnetic field with the ones of the uncoated microdevices. In this work we were able to obtain both the movement of the samples, and the pH-triggered drug release in the case of chemical loading of the mimic drug.

Lo sviluppo di nuovi sistemi di drug delivery è un campo di grande interesse da parte della comunità scientifica, a causa della crescente richiesta di terapie più efficaci, trattamenti su misura delle malattie e per le scadenze dei brevetti esistenti. In questo campo, un grande sforzo è dedicato al rilascio controllato nel tempo dei farmaci e alla loro somministrazione mirata nelle zone d’interesse per la cura della malattia. Questo doppio obiettivo può essere raggiunto con l'aiuto di materiali compositi, cioè aventi le migliori proprietà di due o più sistemi molto diversi. Questo approccio multidisciplinare consente di sfruttare le migliori caratteristiche di tecnologie differenti. In questo lavoro di tesi, ci siamo occupati di valutare la possibilità di utilizzare microdispositivi magnetici stampati in 3D, rivestiti con un idrogel a sua volta caricato con un farmaco, per avere sia la somministrazione mirata che il rilascio controllato e attivato da pH. In collaborazione con + LAB del Politecnico di Milano, la struttura di base dei microdispositivi è stata stampata in 3D in resina DL260. Insieme al laboratorio SEE Lab del Politecnico di Milano le procedure di metallizzazione sono state eseguite secondo una logica layer-by-layer, al fine di renderle sia magneticamente attuabili che biocompatibili. Una volta metallizzati, sono stati rivestiti con l'idrogel Alginato di Sodio insieme ad un farmaco mimetico per 2 diversi set di test: • Caricamento sterico di 2 farmaci mimici con impedenza sterica molto diversa: rodamina B e Destrano 70k Da. • Caricamento chimico di rodamina B alle catene di alginato tramite 2 tipi di legami: amidico e estere. Infine, con la collaborazione dell’ETH di Zurigo, l'attuazione magnetica dei microdispositivi rivestiti in idrogel è stata testata con la tecnologia OctoMag. L'effetto del rivestimento sulla loro mobilità è stato testato in apposite arene confrontando la relazione velocità – frequenza di rotazione del campo magnetico con quelle dei microdispositivi non rivestiti. In questo lavoro siamo stati in grado di ottenere sia il movimento dei campioni, sia il rilascio del farmaco attivato dal pH nel caso di caricamento chimico del farmaco.