Rational design of 3D printed drug delivery systems based on structure–process–performance correlations

In the last decades, 3D printing (3DP) emerged as a popular technology, being increasingly applied in several industrial sectors and bringing innovation and digitization to production. Pharmaceutical applications of 3DP have also been proposed. The possibility of personalizing the dosage forms in terms of type and quantity of the drug conveyed, release performance and design is one of the main advantages that makes 3DP interesting. Literature is rich in feasibility articles in which the fabrication of the desired system is given priority, postponing a more in-depth investigation on structure-process-performance correlations. This doctoral dissertation aimed to investigate how constituent material formulation, processing parameters, and structural design collectively govern the performance of 3D-printed drug delivery systems, with the overarching goal of defining a practical framework for the rational design of personalized dosage forms with tailored release profiles. Through three case studies, i) gastroretentive expandable devices for metformin oral administration, ii) reservoir-like vaginal rings for local antibiotic delivery and iii) multicomponent hydrogel-based gummies for pediatric oral delivery, the work explored properties–process–performance correlations across different materials, geometries, and administration routes. Taken together, the findings demonstrate that a structured, correlation-driven approach can effectively replace purely empirical, trial-and-error strategies, providing a robust basis for predictive design and process optimization in pharmaceutical 3D printing. The thesis shows that the integration of advanced rheological and mechanical characterizations with the device design allows the control of both material processability and final biopharmaceutical performance, laying a foundation for the future implementation of 3D printing in personalized manufacturing.

Negli ultimi decenni, la stampa 3D (3DP) è emersa come una tecnologia popolare, trovando sempre più applicazione in diversi settori industriali e portando innovazione attraverso la digitalizzazione nella produzione. L’applicazione della stampa 3D è stata proposta anche in campo farmaceutico in virtù della possibilità offerta da questa tecnologia di personalizzare le forme di dosaggio in termini di tipo e quantità di farmaco veicolato, prestazioni di rilascio e design. La letteratura è ricca di articoli sulla fattibilità di forme di rilascio prodotte con questa tecnologia, ma in questi lavori priorità viene data alla fabbricazione del sistema desiderato e alla sua efficienza, rimandando un'indagine più approfondita sulle correlazioni struttura-processo-prestazione. Questa tesi di dottorato si è proposta di studiare come la formulazione del materiale costituente, i parametri di processo e il design del prodotto governino collettivamente le prestazioni dei sistemi di somministrazione dei farmaci stampati in 3D, con l'obiettivo generale di definire un quadro per la progettazione razionale di forme di dosaggio con profili di rilascio personalizzato. Attraverso tre casi di studio il lavoro ha esplorato le correlazioni proprietà-processo-prestazione prendendo in considerazione diversi materiali, geometrie e vie di somministrazione. I Casi di studio sono consistiti nello studio di i) Dispositivi espandibili gastroritentivi per la somministrazione orale di metformina, ii) anelli vaginali di tipo "reservoir" per la somministrazione locale di antibiotici, iii) Caramelle gommose multicomponenti a base di idrogeli per la somministrazione orale pediatrica. Nel loro insieme, i risultati dimostrano che un approccio strutturato e guidato dalle correlazioni può sostituire efficacemente le strategie puramente empiriche basate su tentativi ed errori, fornendo una base robusta per la progettazione predittiva e l'ottimizzazione dei processi nella stampa 3D farmaceutica. La tesi dimostra come l'integrazione di caratterizzazioni reologiche e meccaniche con la geometria del dispositivo permetta un controllo dimostra che sia della processabilità del materiale sia delle prestazioni biofarmaceutiche finali, gettando le fondamenta per la futura implementazione della stampa 3D nella produzione personalizzata.