Formulating a printable edible matrix: rheological and mechanical assesment of the 3D printability of a candy-like hydrogel for drug incorporation

This study focuses on developing a 3D-printable gummy candy matrix that could be employed as a customizable platform for drug or micronutrient delivery, particularly for patients with specific health needs. The formulation is designed to be sugar-free, artificial additive-free, and free of gluten and animal-derived ingredients to ensure broad accessibility. Gellan gum (GG) was selected as the primary binder by means of the "Weighting Point Technique (WPT)" due to its favorable properties, such as ease of preparation, adequate consistency, and market availability. Rheological analyses were conducted to evaluate the formulation’s extrudability, layer adhesion, and shape stability, while cycle compression tests allowed to assess chewability by measuring hardness, gumminess, cohesiveness, and springiness on gelled samples. Sample stability was evaluated through weight loss measurements, observing mold formation and any variation in the aspect of the gelled samples over a period of 7 and 10 days. Rheological characterization demonstrated that all inks tested are suitable for 3D printing at their respective gelation temperatures, with the 2.5% GG formulation (G2.5%) showing the best self-supporting ability. Despite its promising printability, cyclic compression revealed that all formulations, including G2.5%, exhibited brittleness compared to commercial candies. Additionally, the 2.5% formulation displayed the highest water seepage rate (WSR%) or water loss, indicating potential stability concerns. Future work will focus on optimizing mechanical properties, texture, and stability through the addition of sweeteners, other gelling agents, and/or ions like sodium or calcium, as well as further adjustments of the 3D printing parameters. These improvements aim to enhance the formulation’s properties, ultimately enabling the incorporation of active ingredients for personalized drug delivery applications in both the food and pharmaceutical sectors.

Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di analizzare il possibile sviluppo di una matrice di base per la stampa in 3D di caramelle gommose stampabili, da utilizzare come mezzo per la somministrazione personalizzata di farmaci o micronutrienti, in particolare vede tra i suoi destinatari pazienti con esigenze mediche specifiche. La formulazione è stata concepita per essere priva di zuccheri, additivi artificiali, glutine e ingredienti di origine animale, al fine di garantirne l’accessibilità a tutte le categorie di pazienti. La gomma di Gellano (GG) è stata selezionata come legante primario mediante la "Weighting Point Technique" (WPT) grazie alle sue proprietà, quali la facilità di preparazione, l’adeguata consistenza e la disponibilità sul mercato. Le analisi reologiche sono state condotte al fine di valutare l’estrudibilità della formulazione, l’adesione tra gli strati e la stabilità della forma, mentre la compressione ciclica è stata eseguita per stimarne la masticabilità misurando la durezza, la gommosità, la coesività e l’elasticità dei campioni gelificati. La stabilità dei campioni è stata calcolata attraverso la misurazione della perdita di peso, osservando la formazione di muffa ed eventuali variazioni nell’aspetto dei campioni gelificati durante il periodo di conservazione di 7 e 10 giorni. L’analisi reologica ha dimostrato che tutti gli inchiostri testati sono adatti alla stampa 3D alle rispettive temperature di gelificazione, con la formulazione al 2.5% di GG (G2.5%) che mostra la migliore capacità di autosostenersi. Nonostante la promettente stampabilità, i risultati emersi dalla compressione ciclica hanno rivelato che tutte le formulazioni, compresa la formulazione G2.5%, mostrano un comportamento friabile rispetto alle caramelle commerciali. Inoltre, la formulazione G2.5% ha mostrato il più alto tasso di perdita d’acqua (WSR%), indice di potenziali problemi di stabilità. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull’ottimizzazione delle proprietà meccaniche, della consistenza e della stabilità della formmulazione, attraverso l’aggiunta di dolcificanti, altri agenti gelificanti e/o ioni come il sodio o il calcio, nonché su ulteriori modifiche dei parametri della stampa 3D. Questi miglioramenti mirano a perfezionare le proprietà della formulazione, consentendo l’incorporazione di sostanze funzionali per la somministrazione di farmaci o micronutrienti con dosaggio personalizzato, sia nel settore alimentare che in quello farmaceutico.