In this PhD thesis, the potential of smart materials, and particularly of shape memory polymers (SMPs), in pharmaceutics has been widely investigated. SMPs, with their ability to dynamically respond to specific external stimuli by changing their shape over time, currently represent one of the topics at the forefront of research. Within the pharmaceutical field their use was demonstrated able to provide innovative performance and to overcome limitations associated with the already available therapeutic approaches, e.g. poor patient compliance, ability to ensure effective drug levels at the target area for a prolonged period of time, fine tuning and customization of the overall performance. This was the main topic of a comprehensive overview of the scientific literature available, focused on SMP-based drug delivery systems (DDSs) and aimed at highlighting the objective for which the shape changes were pursued. From an experimental point of view, the possibility of using SMPs of pharmaceutical-grade in the development of DDSs intended for long-lasting retention into hollow-muscular organ, such as bladder and stomach, was approached for the first time. In this respect, the shape shifting process would ensure safe administration and enable prolonged retention at the site of interest. Feasibility of prototypes was investigated using quite novel techniques for pharmaceutical manufacturing, i.e. hot melt extrusion and fused deposition modeling 3D printing, the latter providing the tool for 4D printing when dealing with SMPs as starting materials. Film-coating of SMPs-based prototypes having complex geometries was also demonstrated as a viable strategy to prolong the release duration without affecting the shape memory behavior. Moreover, the comprehensive experimental campaign carried out was coupled with computer-aided simulation modelling to accelerate the R&D stages and to improve the overall performance of the DDSs proposed. In fact, thanks to this approach, it would be possible to predict the shape memory behavior of complex prototypes while reducing the number of physical samples to be attained.

In questa tesi di dottorato è stato indagato il potenziale di applicazione di smart materials ed in particolare dei cosiddetti polimeri a memoria (SMPs) in campo farmaceutico. Questi ultimi, grazie alla loro capacità di rispondere a stimoli esterni modificando la propria geometria nel tempo, si configurano ad oggi come una delle tematiche di ricerca più all’avanguardia. A partire da questi materiali sono stati sviluppati sistemi di rilascio (drug delivery systems, DDSs) dalle prestazioni innovative e potenzialmente in grado di superare i limiti degli approcci terapeutici attualmente disponibili (e.g. scarsa aderenza alla terapia da parte del paziente, capacità di garantire livelli di attivo efficaci nella zona di interessa per un periodo di tempo prolungato, possibilità di personalizzazione dei sistemi). Date queste premesse, la letteratura scientifica a disposizione è stata oggetto di una valutazione approfondita, con la stesura di una review, nella quale sono stati recensititi tutti i sistemi di rilascio proposti in letteratura e realizzati a partire da SMPs, evidenziando l'obiettivo per cui i cambiamenti di forma sono stati perseguiti. Da un punto di vista sperimentale, SMPs di grado farmaceutico sono stati impiegati per la prima volta nella realizzazione di DDSs destinati alla ritenzione, per lunghi periodi di tempo, in organi cavi di tipo muscolare, quali vescica e stomaco. A questo proposito, il processo di cambiamento di forma consentirebbe non solo la somministrazione sicura dei sistemi ma anche la relativa permanenza nel sito di interesse. Prototipi di DDSs organo-ritentivi sono stati quindi ottenuti utilizzando tecniche piuttosto innovative per la produzione farmaceutica, ovvero estrusione a caldo e stampa 3D per fused deposition modeling. È da sottolineare come, l’utilizzo di SMPs come materiali di partenza per la stampa 3D, si traduca nel nuovo concetto di stampa 4D. Successivamente la possibilità di rivestire i campioni precedentemente realizzati e caratterizzati da una geometria particolarmente complessa si è dimostrata una strategia efficace per prolungarne la durata di rilascio senza influenzarne il comportamento di memoria di forma. Infine, i dati sperimentali raccolti sono stati accoppiati ad un modello di simulazione opportunamente validato così da accelerare le fasi di ricerca e sviluppo relative ai DDSs oggetto di studio e migliorarne le prestazioni complessive. Sfruttando questo approccio combinato sarebbe infatti possibile prevedere il comportamento a memoria di forma di prototipi complessi, riducendo al contempo il numero di oggetti fisici da preparare e testare.

NOVEL SMART DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF DRUGS INTO HOLLOW MUSCULAR ORGANS / M. Uboldi ; tutor: L. Zema ; coordinatore: G. Aldini. - : . Università degli Studi di Milano, 2021 Oct 14. ((34. ciclo, Anno Accademico 2021. [10.13130/uboldi-marco_phd2021-10-14].

NOVEL SMART DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF DRUGS INTO HOLLOW MUSCULAR ORGANS

M. Uboldi
2021-10-14

Abstract

In questa tesi di dottorato è stato indagato il potenziale di applicazione di smart materials ed in particolare dei cosiddetti polimeri a memoria (SMPs) in campo farmaceutico. Questi ultimi, grazie alla loro capacità di rispondere a stimoli esterni modificando la propria geometria nel tempo, si configurano ad oggi come una delle tematiche di ricerca più all’avanguardia. A partire da questi materiali sono stati sviluppati sistemi di rilascio (drug delivery systems, DDSs) dalle prestazioni innovative e potenzialmente in grado di superare i limiti degli approcci terapeutici attualmente disponibili (e.g. scarsa aderenza alla terapia da parte del paziente, capacità di garantire livelli di attivo efficaci nella zona di interessa per un periodo di tempo prolungato, possibilità di personalizzazione dei sistemi). Date queste premesse, la letteratura scientifica a disposizione è stata oggetto di una valutazione approfondita, con la stesura di una review, nella quale sono stati recensititi tutti i sistemi di rilascio proposti in letteratura e realizzati a partire da SMPs, evidenziando l'obiettivo per cui i cambiamenti di forma sono stati perseguiti. Da un punto di vista sperimentale, SMPs di grado farmaceutico sono stati impiegati per la prima volta nella realizzazione di DDSs destinati alla ritenzione, per lunghi periodi di tempo, in organi cavi di tipo muscolare, quali vescica e stomaco. A questo proposito, il processo di cambiamento di forma consentirebbe non solo la somministrazione sicura dei sistemi ma anche la relativa permanenza nel sito di interesse. Prototipi di DDSs organo-ritentivi sono stati quindi ottenuti utilizzando tecniche piuttosto innovative per la produzione farmaceutica, ovvero estrusione a caldo e stampa 3D per fused deposition modeling. È da sottolineare come, l’utilizzo di SMPs come materiali di partenza per la stampa 3D, si traduca nel nuovo concetto di stampa 4D. Successivamente la possibilità di rivestire i campioni precedentemente realizzati e caratterizzati da una geometria particolarmente complessa si è dimostrata una strategia efficace per prolungarne la durata di rilascio senza influenzarne il comportamento di memoria di forma. Infine, i dati sperimentali raccolti sono stati accoppiati ad un modello di simulazione opportunamente validato così da accelerare le fasi di ricerca e sviluppo relative ai DDSs oggetto di studio e migliorarne le prestazioni complessive. Sfruttando questo approccio combinato sarebbe infatti possibile prevedere il comportamento a memoria di forma di prototipi complessi, riducendo al contempo il numero di oggetti fisici da preparare e testare.
ZEMA, LUCIA
ALDINI, GIANCARLO
In this PhD thesis, the potential of smart materials, and particularly of shape memory polymers (SMPs), in pharmaceutics has been widely investigated. SMPs, with their ability to dynamically respond to specific external stimuli by changing their shape over time, currently represent one of the topics at the forefront of research. Within the pharmaceutical field their use was demonstrated able to provide innovative performance and to overcome limitations associated with the already available therapeutic approaches, e.g. poor patient compliance, ability to ensure effective drug levels at the target area for a prolonged period of time, fine tuning and customization of the overall performance. This was the main topic of a comprehensive overview of the scientific literature available, focused on SMP-based drug delivery systems (DDSs) and aimed at highlighting the objective for which the shape changes were pursued. From an experimental point of view, the possibility of using SMPs of pharmaceutical-grade in the development of DDSs intended for long-lasting retention into hollow-muscular organ, such as bladder and stomach, was approached for the first time. In this respect, the shape shifting process would ensure safe administration and enable prolonged retention at the site of interest. Feasibility of prototypes was investigated using quite novel techniques for pharmaceutical manufacturing, i.e. hot melt extrusion and fused deposition modeling 3D printing, the latter providing the tool for 4D printing when dealing with SMPs as starting materials. Film-coating of SMPs-based prototypes having complex geometries was also demonstrated as a viable strategy to prolong the release duration without affecting the shape memory behavior. Moreover, the comprehensive experimental campaign carried out was coupled with computer-aided simulation modelling to accelerate the R&D stages and to improve the overall performance of the DDSs proposed. In fact, thanks to this approach, it would be possible to predict the shape memory behavior of complex prototypes while reducing the number of physical samples to be attained.
Settore CHIM/09 - Farmaceutico Tecnologico Applicativo
NOVEL SMART DEVICES FOR THE ADMINISTRATION OF DRUGS INTO HOLLOW MUSCULAR ORGANS / M. Uboldi ; tutor: L. Zema ; coordinatore: G. Aldini. - : . Università degli Studi di Milano, 2021 Oct 14. ((34. ciclo, Anno Accademico 2021. [10.13130/uboldi-marco_phd2021-10-14].
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