Design, material selection, and formulation of dissolving microneedles for transdermal drug delivery system

การออกแบบ คัดเลือกวัสดุ และตั้งตำรับไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้เพื่อนำส่งยาทางผิวหนัง

Name: Baramee Chanabodeechalermrung

LCSH: Drug carriers (Pharmacy)

LCSH: Microneedles

LCSH: Pharmaceutical technology

LCSH: Three-dimensional printing

Abstract: Three-dimensional (3D) printing, an additive manufacturing (AM) technology, serves as an alternative technique for producing 3D-printed microneedles (MNs) patches with high accuracy and resolution by constructing object layer by layer starting from the base. Although 3D printing can print complex structures as desired, some important printing parameters, such as curing time, angle of printing, and anti-aliasing (AA) need to be evaluated to obtain a complete 3D-printed MNs patch. Moreover, the fabricated 3D-printed MN patches can be employed to manufacture polydimethylsiloxane (PDMS) MN molds, which are then used for dissolving microneedles (DMNs) fabrication. However, in DMN production, polymers must dissolve upon contact with biological fluids and release the active pharmaceutical ingredients. Thus, this study aims to explore the suitable printing parameters for 3D-printed MN patch fabrication, produce MN mold and DMNs, and evaluate the ability to dissolve and release active drug of DMNs. Before evaluating the optimal printing parameters, AUTODESK® FUSION 360TM Software, a computer-aided design (CAD) tool, was used to design four distinct shapes of MNs: pyramid mounted over a long cube (shape A), cone mounted over a cylinder (shape B), pyramidal shape (shape C), and conical shape (shape D) with compensated bases of 350, 450 and 550 µm. The four shapes with a 350 µm base were printed utilizing acrylic-based resin with stereolithography (SLA) 3D printer to determine the optimal printing parameters for each shape. The results illustrated that the suitable curing time and printing angle of square base (shape A and C), were 1.5 s and 30o while for round base (shape B and D), they were 2.0 s and 45o, respectively and all four shapes required AA to eliminate stair-stepped edges on the MN surfaces. Furthermore, these obtained parameters were applied to produce MNs with the base of 450 and 550 µm. All twelve 3D-printed patches were successfully used to manufacture PDMS MN molds, which were then employed to fabricate hydroxypropyl methylcellulose (HPMC ; H) and polyvinyl pyrrolidone (PVP ; P) K90 DMNs. As a result, shape A and B demonstrated superior physicochemical properties compared to shape C and D. Moreover, shape A and B with the base of 550 µm (sample 9 and 10) exhibited a complete needle shape, including minimal height reduction (<10%) and approximately 100% of blue dots. Previous experiments have highlighted that 3D printing can be successfully employed to manufacture custom 3D-printed MN patches. In this study, the needle was designed using Fusion 360 software in a pyramid mounted over a long cube shape with the base of 450 µm and the height of 900 µm before being printed using acrylic-based resin and SLA 3D printer. The 3D-printed patches were then utilized to construct PDMS molds, which were used for HPMC/PVP K90 DMN fabrication with and without lidocaine (L). The study examined needle appearance, mechanical properties, insertion ability, dissolving behavior, drug-loading content, and drug release. As a result, H51P2- L, H501P2-L, and H901P2-L exhibited complete needle appearance with low percentage of height change (< 10%), high percentage of blue-dot (> 80%), approximately 100% of drug loading capacity, fast dissolution upon contact with phosphate buffered saline (PBS) solution pH 7.4, successful release of lidocaine HCl within 1 hour, including no chemical interactions between HPMC, PVP, and lidocaine HCl, confirmed via Fourier transform infrared (FTIR) analysis. These findings revealed that 3D printing is a viable method for constructing MN patches employed for producing MN molds, which were utilized for fabricating DMNs, using them as a promising approach for transdermal drug delivery systems

Abstract: การพิมพ์สามมิติเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์แบบเติมที่เป็นเทคนิคทดแทนในการผลิตแผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติที่มีความแม่นยำและความละเอียดสูง โดยทำการสร้างวัตถุทีละชั้น เริ่มต้นจากชั้นฐานของวัตถุ แม้ว่าการพิมพ์สามมิติสามารถพิมพ์วัตถุที่มีความซับซ้อนได้ตามต้องการ แต่พารามิเตอร์ที่สำคัญในการพิมพ์ ได้แก่ ระยะเวลาที่แสงสัมผัสกับเรซิน องศาการพิมพ์และ anti-aliasing (AA) จำเป็นต้องได้รับการประเมิน เพื่อให้ได้แผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติที่สมบูรณ์ นอกจากนี้แผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติที่พิมพ์ได้สามารถใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ไมโครนีดเดิลโดยใช้โพลีไดเมทิลไซลอกเซน เพื่อใช้ในการผลิตไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ อย่างไรก็ตามในการผลิตไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ พอลิเมอร์ที่ใช้ต้องละลายหลังจากสัมผัสกับของเหลวภายในร่างกาย และปลดปล่อยตัวยาสำคัญออกมาซึ่งถือว่าเป็นปัจจัยสำคัญ รวมไปถึงต้องย่อยสลายได้ตามธรรมชาติและไม่มีความเป็นพิษ ดังนั้นการศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่ใช้ในการพิมพ์แผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติ ผลิตแม่พิมพ์ไมโครนีดเดิลและไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ และประเมินความสามารถในการละลายและปลดปล่อยตัวยาของไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ก่อนทำการประเมินพารามิเตอร์ที่เหมาะสมในการพิมพ์ ซอฟแวร์ AUTODESK® FUSION 360TM ซึ่งเป็นถือว่าเป็นซอฟแวร์ computer-aided design (CAD) ถูกนำมาใช้ในการออกแบบลักษณะของเข็มไมโครนีดเดิลที่แตกต่างกันทั้งสี่แบบ ได้แก่ รูปร่างพีระมิดบนลูกบาศก์ยาว (รูปร่าง A) รูปร่างโคนบนหลอดยาว (รูปร่าง B) รูปร่างพีระมิด (รูปร่าง C) และรูปร่างโคน (รูปร่าง D) โดยมีขนาดของฐานเท่ากับ 350 450 และ 550 ไมโครเมตร โดยพิมพ์ทั้งสี่รูปร่างของเข็มที่มีขนาดของฐานเท่ากับ 350 ไมโครเมตร โดยใช้เรซินอะคริลิค และเครื่องพิมพ์สามมิติชนิดใช้แสง stereolithography (SLA) เพื่อประเมินหาพารามิเตอร์ที่เหมาะสมในการพิมพ์ของแต่ละรูปร่าง โดยผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าระยะเวลาที่แสงสัมผัสกับเรซินและ องศาการพิมพ์ของไมโครนีดเดิลฐานสี่เหลี่ยม (รูปร่าง A และ C) ที่เหมาะสมคือ 1.5 วินาที และ 30 องศา ขณะที่ไมโครนีดเดิลฐานกลม (รูปร่าง B และ D) จะมีค่าเท่ากับ 2.0 วินาที และ 45 องศา ตามลำดับ โดยทุกรูปร่างต้องการ AA ในการขจัดผิวที่ขรุขระของเข็มไมโครนีดเดิล ยิ่งไปกว่านั้นพารามิเตอร์ที่ศึกษาได้สามารถนำไปพิมพ์ไมโครนีดเดิลทั้งสี่รูปร่างที่มีขนาดของฐานเท่ากับ 450 และ 550 ไมโครเมตร ได้ หลังจากนั้นไมโครนีดเดิลทั้ง 12 แบบ สามารถนำไปใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ไมโรนีดเดิล ซึ่งใช้ในการผลิตไฮดรอกซีโพรพิวเมทิลเซลลูโลส (HPMC) และพอลิไวนิลไพโรลิโดน (PVP) K90 ไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ โดยรูปร่าง A และ B มีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่เหนือกว่ารูปร่าง C และ D ยิ่งไปกว่านั้นไมโครนีดเดิลที่มีรูปร่าง A และ B ที่มีขนาดของฐานเท่ากับ 550 ไมโครเมตร (ตัวอย่างที่ 9 และ 10) มีรูปร่างของเข็มที่สมบูรณ์ รวมไปถึงการลดลงของความสูงที่ต่ำ (น้อยกว่าร้อยละ 10) และเกือบร้อยละ 100 ของจุดสีฟ้าการทดลองก่อนหน้าแสดงให้เห็นว่าการพิมพ์สามมิติสามารถใช้ในการผลิตแผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติได้ตามที่ต้องการ โดยออกแบบรูปร่างของเข็มโดยใช้ซอฟแวร์ FUSION 360 ให้มีรูปร่างของพีระมิดบนลูกบาศก์ยาวที่มีขนาดของฐานเท่ากับ 450 ไมโครเมตร และมีความสูงเท่ากับ 900 ไมโครเมตร ก่อนทำการพิมพ์ด้วยเรซินอะคริลิค และเครื่องพิมพ์สามมิติชนิดใช้แสง ทำการผลิตแม่พิมพ์ไมโครนีดเดิลโดยใช้แผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติที่พิมพ์ได้ แล้วทำการผลิต HPMC/PVP K90 ไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ที่ไม่มีและมีลิโดเคน ไฮโดรคลอไรด์ (L) ในการทดลองนี้จะประเมินลักษณะของเข็ม คุณสมบัติเชิงกล ความสามารถในการเจาะผ่านผิวหนัง การละลาย ปริมาณตัวยาสำคัญ และการปลดปล่อยตัวยา ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า H51P2-L H501P2-L และ H901P2-L มีลักษณะของเข็มที่สมบูรณ์ มีการลดลงของความสูงที่ต่ำ (น้อยกว่าร้อยละ 10) และมีร้อยละของจุดสีฟ้าที่สูง (มากกว่าร้อยละ 80) มีปริมาณตัวยาสำคัญเกือบร้อยละ 100 สามารถละลายหลังจากสัมผัสกับสารละลายฟอสเฟตบัฟเฟอร์ pH 7.4 และสามารถปลดปล่อยลิโดเคนได้ภายใน 1 ชั่วโมง นอกจากนี้ ผลจาก FTIR แสดงให้เห็นว่าไม่มีอันตรกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารในตำรับจากผลการศึกษาทั้งหมด แสดงให้เห็นว่าการพิมพ์สามมิติสามารถนำมาใช้ในการพิมพ์แผ่นไมโครนีดเดิลสามมิติเพื่อใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ไมโครนีดเดิล ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการเตรียมไมโครนีดเดิลชนิดละลายได้ เพื่อใช้สำหรับการนำส่งยาผ่านทางผิวหนัง

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Pensak Jantrawut

Role: Advisor

Name: Patnarin Worajittiphon

Role: Advisor

Name: Tanpong Chaiwarit

Role: Advisor

Name: Suruk Udomsom

Role: Advisor

Created: 2568

Modified: 2025-10-03

Issued: 2025-10-03

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Pharmacy

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	661055901.pdf	1.38 MB

ใช้เวลา

0.037068 วินาที