Os produtos farmacêuticos devem seus efeitos principalmente à sua composição química, mas a embalagem desses medicamentos em formulações físicas específicas também precisa ser feita de acordo com as especificações exatas. Por exemplo, muitos medicamentos são encapsulados em micropartículas sólidas, o tamanho e a forma determinam o tempo de liberação do medicamento e sua entrega a partes específicas do corpo.

Ao projetar essas micropartículas de drogas, consistência é a chave, mas técnicas comuns de fabricação de medicamentos, como secagem por spray e moagem de bolas, produzir resultados desiguais. O método ideal envolve microfluídica, uma espécie de linha de montagem líquida que goteja micropartículas de tamanho perfeito, um por vez.

Os engenheiros da Universidade da Pensilvânia desenvolveram agora um sistema microfluídico onde mais de dez mil desses dispositivos funcionam em paralelo, tudo em um chip de silicone e vidro que pode caber no bolso de uma camisa.

Aumentar a escala de sistemas microfluídicos tem sido um grande desafio, pois dependem de taxas de fluxo rigidamente controladas para produzir partículas de tamanho consistente. A inovação da equipe Penn é a nova arquitetura fluídica, construído com a tecnologia usada para fabricar chips de computador, resultando em um sistema que pode fabricar essas partículas de drogas mil vezes mais rápido do que nunca.

O time, liderado por David Issadore, professor assistente do Departamento de Bioengenharia da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, e Sagar Yadavali, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório, descreveu o design de seu sistema no jornal Nature Communications . Daeyeon Lee, professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, e Heon-Ho Jeong, em seguida, estudante de graduação em seu laboratório, contribuíram para o estudo.

A equipe da Penn está testando seu sistema com David Lai, um investigador de pesquisa na GlaxoSmithKline.

As técnicas de fabricação de micropartículas farmacêuticas atuais envolvem pulverizá-las na forma líquida de um bico e deixá-las secar, ou moendo partículas sólidas maiores em um copo. Contudo, uma vez que as micropartículas estão sendo feitas em massa, pode haver variações significativas em seu tamanho e forma.

"Esses problemas de fabricação significam que uma enorme quantidade de tempo e dinheiro é gasta em reduções de tamanho, "Yadavali disse." Isso leva a custos mais elevados. "

A microfluídica fornece uma solução potencial para esses problemas. Ao sintetizar as drogas em uma rede de canais e câmaras microscópicas, A tensão superficial e as forças de arrasto podem ser ajustadas com precisão para gerar partículas de tamanho e forma consistentes. Contudo, existem limitações intrínsecas à rapidez com que esses dispositivos em microescala podem funcionar.

"O gargalo para aumentar a taxa de transferência de microfluídica é um problema de física fundamental, "Issadore disse." Não podemos operar os dispositivos microfluídicos individuais mais rápido do que qualquer outro laboratório, porque o fenômeno microfluídico que permite que as micropartículas do medicamento sejam fabricadas com precisão para de funcionar acima de uma taxa de fluxo crítica? - elas passam de bolhas a jatos instáveis. "

As taxas de fluxo típicas são um mililitro por hora, muito lento para ser usado em um ambiente industrial. Já que aumentar a taxa de fluxo não é uma opção, a única maneira de aumentar a produção é aumentar o número de dispositivos.

As tentativas anteriores de paralelização em grande escala enfrentaram outra desvantagem. Para distribuir o fluxo uniformemente para todos os dispositivos do chip, cada dispositivo individual deve ter uma grande queda de pressão em relação à queda de pressão ao longo dos canais de distribuição que o alimentam. Isso resulta em cada dispositivo funcionando mais lentamente do que se fossem alimentados individualmente.

Os pesquisadores da Penn resolveram esse problema separando os dispositivos em dois, um componente que fornece a queda de pressão necessária e outro a jusante que produz as partículas. Isso permite que muitos dispositivos sejam incorporados em paralelo sem afetar o rendimento de cada um.

"Ao incorporar resistores de fluxo de alta relação de aspecto a montante de cada dispositivo, "Yadavali disse, "podemos desacoplar o projeto de gotículas individuais do projeto de nível de sistema. o que nos permite incorporar qualquer tipo de gerador de partículas microfluídicas que quisermos, e tantos quantos pudermos caber em um chip. "

Usando litografia para gravar simultaneamente 10, 260 dispositivos em um wafer de silício de quatro polegadas, ensanduichando-o entre duas placas de vidro para fazer canais ocos, e conectar seus conjuntos únicos de entradas e saídas, o sistema da equipe Penn produz uma taxa de fluxo efetiva mais de dez mil vezes mais rápida do que a que pode ser normalmente alcançada em um dispositivo microfluídico.

A equipe da Penn primeiro testou seu sistema fazendo simples gotículas de óleo em água, a uma taxa de mais de 1 trilhão de gotas por hora. Para demonstrá-lo com materiais mais relevantes para a fabricação de medicamentos, eles também fizeram micropartículas biocompatíveis de policaprolactona, a uma taxa de cerca de 328 bilhões de partículas por hora.

"Os medicamentos podem ser misturados em micropartículas de policaprolactona, para que quantidades controladas de droga possam ser gradualmente liberadas conforme a partícula se dissolve, "Sagar disse." A taxa que a droga deixa a partícula depende do tamanho da partícula, é por isso que ter um tamanho consistente é tão importante. "

Os pesquisadores apenas misturaram a policaprolactona com água; o teste de uma droga real teria sido proibitivamente caro, dada a taxa de produção de seu sistema.

"Nós da GSK temos o prazer de fazer parte de uma colaboração de pesquisa com os grupos de pesquisa de Daeyeon e David. Parabéns por uma publicação requintada e impactante, "disse Lai.

O sistema microfluídico do pesquisador é atualmente capaz desse tipo de embalagem simples de medicamentos, mas outro, técnicas de fabricação mais complicadas são possíveis.

"Agora estamos trabalhando para implementar operações microfluídicas adicionais em nosso chip, incluindo versões miniaturizadas de extração de solvente, cristalização, e outros processos tradicionais de engenharia química, "Issadore disse." Ao trazer mais das operações necessárias para formular a droga em nosso chip, formulações precisas de micropartículas de micropartículas podem ser produzidas em escala industrial. "