Напечатанная на 3D-принтере система доставки лекарств, использующая датчик, нагревательный элемент и волновую пружину, звучит как машина, вкатываемая в кабинет врача, а не как что-то, что кладут вам в рот.

Тем не менее, команда инженеров Университета Мэриленда разработала новую футуристическую капсулу, которую можно принимать внутрь, направлять и активировать для выявления, мониторинга и лечения хронических проблем в желудочно-кишечном тракте.

Это новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Advanced Materials Technologies, демонстрирует крошечный пружинный привод, который может закреплять капсулу, позволяя ей доставлять лекарственное средство в запланированные места в желудочно-кишечном тракте. Обладая способностью оставаться на месте в течение длительного периода времени, капсула может доставлять несколько доз лекарства по мере необходимости.

"Наша инновация является ранним примером использования гибридных подходов к изготовлению, которые объединяют 3D-печать с традиционным микропроизводством для создания новых и эффективных устройств", - сказал первый автор Джошуа Леви, докторант в области материаловедения и инженерии. "Мы ожидаем, что наша работа поможет заложить основу для новых форм лечения, и что эти устройства в конечном итоге приведут к улучшению методов лечения".

Он является сотрудником лаборатории МЭМС-датчиков и исполнительных механизмов профессора Резы Годси (ECE/ISR), которая работает над разработкой капсул в течение пяти лет. Среди других сотрудников инженерной школы им. А. Джеймса Кларка, которые внесли свой вклад в исследование, были докторант по биоинженерии Майкл Стрейкер, докторант по электротехнике и вычислительной технике Джастин Стайн, научный сотрудник UMD Люк Бердсли, выпускники по электротехнике и вычислительной технике Вивиан Борбаш '22 и Годси. Все аспиранты связаны с Институтом биомедицинских устройств Роберта Э. Фишелла.

Около 3,1 миллиона человек в Соединенных Штатах страдают от хронических аутоиммунных заболеваний желудочно-кишечного тракта, таких как воспалительные заболевания кишечника, болезнь Крона и язвенный колит. Медицинская наука добилась существенных успехов за последние несколько десятилетий, в основном благодаря "системным" методам лечения, таким как таблетки, инъекции и инфузии. К сожалению, по мере того, как эти методы лечения распространяются по всему организму, их эффективность также снижается. Лекарства не могут быть нацелены на воспалительные поражения, характерные для этих заболеваний кишечника, и лечение приводит к значительным побочным эффектам.

"Желудочно-кишечный тракт - это проход через тело, который влияет на то, кто мы есть, через его прямые связи с внешним миром", - сказал Годси. "Этот уникальный орган подвержен целому ряду серьезных проблем со здоровьем, от рака до ВЗК и нейродегенеративных заболеваний, а также проблем с психическим здоровьем и метаболическими заболеваниями".

Капсулы могут выполнять визуализацию желудочно-кишечного тракта, зондирование газов, биопсию очага поражения и доставку лекарств, и ими можно управлять удаленно через Wi-Fi и приложение для телефона. Тем не менее, одна проблема сохраняется: как удерживать капсулу на месте для доставки лекарства в условиях постоянного перемешивания пищеварительной системы.

Это новое исследование представляет термомеханический пружинный привод для 3D-печати, механизм, который работает с существующими сенсорными и коммуникационными технологиями на основе капсул для приема внутрь и позволяет проводить лечение на основе обнаруженных биомаркеров желудочно-кишечного тракта и внешних команд, которые могут передаваться через Bluetooth.

Привод сочетается с первым применением биомиметической технологии зазубренных микроигл Ghodssi, известной как SMAD, для закрепления лекарственного препарата на колючих микроиглах. Когда приходит время развернуть пружину и запустить в нее терапевтические препараты, крошечный резистивный нагревательный элемент капсулы расплавляет материал под названием поликапролактон, который удерживает ее на месте. Затем SMAD высвобождается из пружины для обеспечения длительной доставки растворяющегося терапевтического препарата к определенным очагам поражения.

"Мы надеемся, что наша новая неинвазивная капсульная технология позволит добавить в аптечку еще одно средство с меньшим количеством побочных эффектов и более целенаправленной эффективностью", - сказал Годси. "Наша работа затрагивает только одно из перспективных направлений исследований этой технологии. Мы считаем, что разработка капсул для приема внутрь - это передовая область исследований, для решения которой требуется междисциплинарная команда врачей, инженеров, биологов и аналитиков данных".