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MIT のウェアラブル パッチが薬物送達に革命をもたらす

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パッチは痛みを伴わずに皮膚を通して薬を送達します

MIT の研究者は、無痛の超音波を皮膚に適用して、薬物が通過できる小さなチャネルを作成するウェアラブル パッチを開発しました。 クレジット: 研究者の厚意による

超音波を使用して薬物分子を皮膚に送り込むことで、このパッチを使用してさまざまな皮膚の状態を治療できる可能性があります。

The skin is an appealing route for drug delivery because it allows drugs to go directly to the site where they’re needed, which could be useful for wound healing, pain relief, or other medical and cosmetic applications. However, delivering drugs through the skin is difficult because the tough outer layer of the skin prevents most small molecules from passing through it.

In hopes of making it easier to deliver drugs through the skin, MIT researchers have developed a wearable patch that applies painless ultrasonic waves to the skin, creating tiny channels that drugs can pass through. This approach could lend itself to delivery of treatments for a variety of skin conditions, and could also be adapted to deliver hormones, muscle relaxants, and other drugs, the researchers say.

Wearable Patch Painlessly Delivers Drugs Through Skin

The patch is made of PDMS, a silicone-based polymer that can adhere to the skin without tape.
The patch is embedded with several disc-shaped piezoelectric transducers, pictured. Credit: Courtesy of the researchers

“The ease-of-use and high-repeatability offered by this system provides a game-changing alternative to patients and consumers suffering from skin conditions and premature skin aging,” says Canan Dagdeviren, an associate professor in MIT’s Media Lab and the senior author of the study. “Delivering drugs this way could offer less systemic toxicity and is more local, comfortable, and controllable.”

MIT research assistants Chia-Chen Yu and Aastha Shah are the lead authors of the paper, which was recently published in the journal Advanced Materials, as part of the journal’s “Rising Stars” series, which showcases the outstanding work of researchers in the early stages of their independent careers. Other MIT authors include Research Assistant Colin Marcus and postdoc Md Osman Goni Nayeem. Nikta Amiri, Amit Kumar Bhayadia, and Amin Karami of the University of Buffalo are also authors of the paper.

A boost from sound waves

The researchers began this project as an exploration of alternative ways to deliver drugs. Most drugs are delivered orally or intravenously, but the skin is a route that could offer much more targeted drug delivery for certain applications.

“The main benefit with skin is that you bypass the whole gastrointestinal tract. With oral delivery, you have to deliver a much larger dose in order to account for the loss that you would have in the gastric system,” Shah says. “This is a much more targeted, focused modality of drug delivery.”

Ultrasound exposure has been shown to enhance the skin’s permeability to small-molecule drugs, but most of the existing techniques for performing this kind of drug delivery require bulky equipment. The MIT team wanted to come up with a way to perform this kind of transdermal drug delivery with a lightweight, wearable patch, which could make it easier to use for a variety of applications.

彼らが設計したデバイスは、電流を機械的エネルギーに変換できるいくつかの円盤状の圧電変換器が埋め込まれたパッチで構成されています。 各ディスクは、液体溶液に溶解した薬物分子を含むポリマーキャビティに埋め込まれています。 電流が圧電素子に印加されると、流体内に圧力波が発生し、皮膚に対して破裂する泡が生成されます。 これらの破裂する泡は、皮膚の丈夫な外層である角質層を貫通できる液体のマイクロジェットを生成します。

「これにより、振動を使用して薬物送達を強化する道が開かれます。 さまざまな種類の波形パターンを生成するパラメータがいくつかあります。 この新しいツールセットによって、薬物送達の機械的側面と生物学的側面の両方を改善できます」と Karami 氏は言います。

パッチは、テープなしで皮膚に接着できるシリコーンベースのポリマーである PDMS でできています。 この研究では、研究者は、多くの日焼け止めや保湿剤の成分であるナイアシンアミドと呼ばれるビタミン B を送達することによってデバイスをテストしました。

ブタの皮膚を使用したテストでは、超音波パッチを使用してナイアシンアミドを送達した場合、皮膚に浸透した薬物の量は、超音波の助けなしで皮膚を通過できる量の 26 倍であることが示されました。

研究者らはまた、新しいデバイスの結果をマイクロニードルと比較しました。これは、経皮薬物送達に時々使用される技術で、小型の針で皮膚に穴をあけることが含まれます。 研究者は、彼らのパッチが、マイクロニードルで6時間かけて送達できるのと同じ量のナイアシンアミドを30分で送達できることを発見しました.

地方発送

現在のバージョンのデバイスでは、薬物は皮膚に数ミリメートル浸透できるため、このアプローチは、皮膚内で局所的に作用する薬物に役立つ可能性があります。 これらには、加齢によるしみや皮膚の他の黒い斑点を治療するために使用されるナイアシンアミドまたはビタミン C、または火傷を癒すために使用される局所薬が含まれる可能性があります。

浸透深度を高めるためにさらに変更を加えると、この手法は、カフェインなどの血流に到達する必要がある薬物にも使用できます。[{” attribute=””>fentanyl, or lidocaine. Dagdeviren also envisions that this kind of patch could be useful for delivering hormones such as progesterone. In addition, the researchers are now exploring the possibility of implanting similar devices inside the body to deliver drugs to treat cancer or other diseases.

The researchers are also working on further optimizing the wearable patch, in hopes of testing it soon on human volunteers. They also plan to repeat the lab experiments they did in this study, with larger drug molecules.

“After we characterize the drug penetration profiles for much larger drugs, we would then see which candidates, like hormones or insulin, can be delivered using this technology, to provide a painless alternative for those who are currently bound to self-administer injections on a daily basis,” Shah says.

Reference: “A Conformable Ultrasound Patch for Cavitation-Enhanced Transdermal Cosmeceutical Delivery” by Chia-Chen Yu, Aastha Shah, Nikta Amiri, Colin Marcus, Md Osman Goni Nayeem, Amit Kumar Bhayadia, Amin Karami and Canan Dagdeviren, 19 March 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202300066

The research was funded by the National Science Foundation, a 3M Non-Tenured Faculty Award, the Sagol Weizmann-MIT Bridge Program, Texas Instruments, Inc., the MIT Media Lab Consortium, and a K. Lisa Yang Bionics Center Graduate Fellowship.





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