Smart transdermal microdevices for biomedical applications

Skin is one of the most extended organ of the human body: due to its dimensions, skin satisfies several different functions, the most important of which is to separate and protect the human body from the surrounding world and its exogenous factors. Its upper most layer, called stratum corneum, thanks to its well organised structure, acts like a chemical, physical and mechanical barrier, limiting the transport of certain drug molecules across the skin. In the past, syringes and needles have been introduced in order to overcome this barrier, improving the transdermal drug delivery: the high invasiveness of these methods - although their current use in the clinical practice - has induced the research of new technological and less invasive solutions . Microneedles represent innovative and promising tools in the drug delivery field. They consist of arrays of micrometer sized needles, which, applied onto skin surface, are able to penetrate and disrupt the stratum corneum, creating real and direct pathways of micron dimensions: the generated holes are order of magnitudes larger than molecular dimensions, thus microneedles potentially allow the releasing of every type of drug, independently by chemo-physical nature and molecular weight in underling tissues. In order to be used into the clinical practice, microneedles have to satisfy technical specifications such as skin penetration, solidity and biocompatibility. On the other hand, to be used for drug delivery purposes, microneedles have to satisfy other functional specifications, such as to reach a fixed depth during their insertion into the skin and be successful, at that depth, in infusing drugs at therapeutic rates. Microneedles can also be used to improve the communication from the "in" to the "out" of the body, such as in the monitoring of biopotentials context. For these reasons, microneedles-based dry electrodes have been considered in this work as secondary biomedical application. In this study some technical and functional requirements for microneedles have been addressed: ex vivo and in vivo experimental tests have been performed and encouraging results have been obtained as in the drug delivery field as in the biopotentials monitoring context. Finally, some regulatory aspects such as safety, pain perception and methods of applications for microneedles have been investigated.

La pelle è uno degli organi più estesi del corpo umano: grazie alle proprie dimensioni, la cute svolge diverse funzioni, la più importante delle quali è quella di separare e proteggere il corpo umano dall’ambiente circostante e dai suoi fattori esogeni. Il suo strato più superficiale, chiamato strato corneo, grazie alla propria struttura organizzata, agisce come una barriera chimica, fisica e meccanica, limitando il trasporto di alcune molecole farmacologiche attraverso la cute. Nel passato, aghi e siringhe sono stati introdotti allo scopo di superare tale barriera, migliorando il rilascio transdermico di farmaci: l’elevata invasività di questi metodi - nonostante il loro corrente utilizzo nella pratica clinica - ha tuttavia indotto la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche meno invasive. I microaghi rappresentano uno strumento innovativo e promettente nell’ambito del rilascio controllato di farmaci. Essi consistono in matrici di aghi micrometrici che, applicati alla cute umana, sono in grado di penetrare e interrompere lo strato corneo, creando veri e propri canali di dimensioni microscopiche: i buchi formatisi sono ordini di grandezza più elevati delle dimensioni delle molecole, così i microaghi possono potenzialmente rilasciare qualsiasi tipo di farmaco, indipendentemente dalla sua natura chimico-fisica e dal peso molecolare nei tessuti sottostanti. Per poter essere utilizzati nella pratica clinica i microaghi devono soddisfare alcuni requisiti tecnici come la penetrazione della cute, la robustezza e la biocompatibilità. D’altra parte, per essere usati nell’ambito del rilascio controllato di farmaci, i microaghi devono soddisfare altre specifiche funzionali, come il raggiungimento di una profondità prefissata durante l’inserimento nella cute e l'infusione, a tale profondità, di farmaci a dosaggi terapeutici. I microaghi infine possono anche essere utilizzati per migliorare la comunicazione tra l’"in" e l’ "out" del corpo umano, come nell'ambito del monitoraggio di biopotenziali. Per questi motivi, elettrodi a secco basati su microaghi sono stati considerati in questo lavoro come applicazione biomedica secondaria. In questo studio, alcune specifiche tecniche e funzionali relative ai microaghi sono state affrontate: prove sperimentali ex vivo e in vivo sono state realizzate e risultati incoraggianti sono stati ottenuti sia nell’ambito del rilascio di farmaci che in quello del monitoraggio di biopotenziali. Infine, alcuni aspetti regolatori, come la sicurezza, la percezione del dolore e alcuni metodi di applicazione dei microaghi sono stati analizzati