Bipolar induced drug release from magnetically navigable microrobots

Fabrication of multi-functional smart vehicles for drug delivery is a fascinating challenge of multidisciplinary research at the crossroads of materials science, physics and biology. Polymer based drug delivery systems have received considerable attention in recent years due to potential applications in medicine. The intended role of these systems is to deliver a drug to the desired tissue in the body. A range of materials, which includes both natural and synthetic polymers, has been applied to prepare micro- or nanometer sized drug carriers. Polypyrrole has been proposed as a promising polymer for drug delivery due to its biocompatibility. This material has attracted much initial attention due to its electrical conducting properties in doped form, but several of its other features can be employed in designing smart drug delivery carries. Polypyrrole, as a conducting polymer, offers the possibility of controllable drug administration through electrical stimulation. Indeed, this property is very attractive but cannot be normally implemented in remotely actuated micro carriers intended for targeted drug release due to the need for electrical connection. In the present project, 3D printed micro-devices have been designed, coated and functionalized to fulfill the task of achieving a selective delivery system able to treat diseases of the gastro‐intestinal system (e.g. Cohn’s disease). The realization of the devices 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. Drug release from the magnetically movable devices so obtained was investigated with and without potential application. To apply potential without the need for direct connection to a current generator, which would be unfeasible in real applications, the bipolar electrochemical release was attempted for the first time.

La fabbricazione di veicoli intelligenti multifunzionali per la somministrazione di farmaci è una sfida affascinante della ricerca multidisciplinare, al crocevia tra scienza dei materiali, fisica e biologia. I sistemi di somministrazione di farmaci basati su polimeri hanno ricevuto notevole attenzione negli ultimi anni per via delle potenziali applicazioni in medicina. Il ruolo previsto di questi sistemi è somministrare un farmaco al tessuto voluto all’interno del corpo. Una gamma di materiali, che include polimeri sia naturali che sintetici, è stata applicata per preparare veicoli per la somministrazione di farmaci di dimensioni micro o nanometriche. Il polipirrolo è stato proposto come promettente polimero per la somministrazione di farmaci grazie alla sua biocompatibilità. Questo materiale ha attirato molta attenzione iniziale a causa delle sue proprietà di conduzione elettrica in forma drogata, ma molte delle sue altre caratteristiche possono essere impiegate nella progettazione di veicoli intelligenti per la somministrazione di farmaci. Il polipirrolo, come polimero conduttore, offre la possibilità di una somministrazione controllabile del farmaco attraverso la stimolazione elettrica. In effetti, questa proprietà è molto interessante ma non può essere normalmente implementata in microcarriers azionati a distanza destinati al rilascio mirato di farmaci a causa della necessità di connessione elettrica. Nel presente progetto, più micro-dispositivi stampati in 3D sono stati progettati, rivestiti e funzionalizzati per adempiere al compito di realizzare un sistema di rilascio selettivo in grado di trattare le malattie del sistema gastro-intestinale (ad esempio la malattia di Cohn). La realizzazione dei dispositivi è stata eseguita mediante stereolitografia, mentre la metallizzazione è stata ottenuta con metodi di deposizione elettrochimica. Per sfruttare l'attivazione magnetica esterna è stato depositato uno strato intermedio hard magnetico di fosforo cobalto-nichel. Il rilascio di farmaci dai dispositivi azionati magneticamente così ottenuti è stato studiato con e senza applicazione di potenziale. Per applicare il potenziale senza la necessità di una connessione diretta a un generatore di corrente, che sarebbe irrealizzabile in applicazioni reali, è stato tentato per la prima volta il rilascio elettrochimico bipolare.