Controlled drug release from nanostructured polypyrrole-coated microdevices

A controlled and effective drug administration in the human body has been historically a critical issue either due to the selection of the administration route or due to the complex chemistry nature of the compounds to be delivered. The development and achievement of a proper target drug delivery system offers the potential for a future where pharmacological intake is a process progressively less invasive, lengthy and expensive; resulting in an overall improvement of the quality of life of the patients and a reduction of the burden on the State balance. Microrobotics constitute a valid candidate to tackle this issue, offering the possibility to merge the drug carrier and the locomotion device in a single finite object able to operate in a controlled fashion down to microscale level. In the present project, multiple 3D printed microdevices have been designed, coated and functionalized to fullfil the task of achieving a selective delivery system able to treat diseases of the gastro‐intestinal system (e.g. Crohn’s disease). The realization of the bulk device was performed by stereolithography, while the metallization was obtained by electrochemical deposition methods. In order to exploit external magnetic actuation a hard‐magnetic interlayer of cobalt‐nickel‐phosphorous has been deposited. Lastly, to increase the drug carrying capability and controlling the kinetic of release, the microdevices were coated with a pseudo‐inverse opal nanostructured polypyrrole (PPy) layer, covered with a bulk polypyrrole capping layer. The results obtained from Rhodamine B release tests put in evidence the reservoir effect offered by the nanoporous polypyrrole with a maximum released amount improved by 77% with respect to bulk PPy. The possibility of external manipulation and the release rate data acquired suggest the microrobots developed in this project to be a potential alternative to the conventional oral drug delivery mechanisms.

Una somministrazione farmacologica controllata ed efficiente nel corpo umano ha storicamente rappresentato una sfida tecnologica, sia per la selezione delle possibili vie di rilascio sia per la complessa natura chimica dei composti da rilasciare. In questo quadro, lo sviluppo e il raggiungimento di un sistema ottimale di rilascio offre una prospettiva futura in cui l’assunzione di farmaci è progressivamente meno invasiva, tediosa e costosa; risultando in un miglioramento generale della qualità della vita dei pazienti e in una riduzione del fardello fiscale dato dalla spesa sanitaria pubblica, gravante sul bilancio di Stato. La microrobotica costituisce un valido candidato per affrontare questo tipo di problema, offrendo la possibilità di unire il portatore del farmaco e il sistema di locomozione in un singolo oggetto finito, capace di operare in maniera controllata fino a scala micrometrica. Nel presente progetto, sono stati sviluppati molteplici microdevices stampati in 3D, successivamente rivestiti e funzionalizzati al fine di ottenere un sistema di rilascio selettivo per il trattamento di malattie del tratto gastro‐intestinale (e.g. morbo di Crohn). La realizzazione del corpo dei device è stata eseguita attraverso stereolitografia (SLA), mentre la metallizzazione degli strati superficiali è stata ottenuta tramite metodi di elettrodeposizione. La deposizione di una lega magnetica di cobalto‐nickel‐fosforo è un passo necessario per essere in grado di attuare i microrobot sfruttando campi magnetici esterni. Infine, i devices sono stati ricoperti da uno strato di polipirrolo nanostrutturato e da uno strato di polipirrolo bulk, per aumentare la capacità di carico e per raggiungere una cinetica di rilascio controllata rispettivamente. I risultati ottenuti dalle prove di rilascio di Rodamina B hanno messo in evidenza l’effettiva capacità del polipirrolo nanostrutturato di svolgere un “effetto riserva” delle molecole caricate al suo interno, con una quantità di rilascio massimo aumentata del 77% rispetto al polipirrolo non nanoporoso. La possibilità di pilotare i microrobot attraverso campi magnetici unita ai dati di rilascio acquisiti nel presente lavoro suggeriscono che i device qui sviluppati abbiano il potenziale di soppiantare o coadiuvare gli attuali meccanismi di somministrazione di farmaci per via orale.