Basit öğe kaydını göster

dc.contributor.advisorÇakmak, Soner
dc.contributor.authorÜnal, Buğra Kağan
dc.date.accessioned2023-12-12T11:10:54Z
dc.date.issued2023
dc.date.submitted2023-07-11
dc.identifier.citationElsevier numeric with titlestr_TR
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11655/34224
dc.description.abstractIn the first wave of COVID-19 pandemic, it was seen that overcrowded hospitals and lack of personnels increased the risk of mortality. Dexamethasone is a corticosteroid recommended by the World Health Organization (WHO) for use in severe COVID-19 patients. Microneedle technology allows patients to take drugs painlessly with high bioavailability directly into the skin. Therefore, with the developments in this technology, this system which allows self administered without the need for any specialist will come forward in the future. Dosing systems ensure that the drug remains at the therapeutic level for a long time without side effects. Micropumps, which are defined as small devices capable of delivering the drug to the patient at a certain rate, have the ability to provide long-term therapeutic effects by adjusting the dosing on demand. When microneedle systems are combined with micropumps, more reliable, effective and hospital/expert-independent drug dosing/management can be achieved compared to traditional drug administration strategies. Within the scope of this thesis, a micropump-assisted microneedle system with a drug reservoir, capable of dosing in the presence of a magnetic field, has been developed for the use of COVID-19 patients. Accordingly, the hollow polymeric microneedle array was produced from poly-L-lactic acid (PLLA) by solvent casting method in a single step within a suitable mold. The length, width and tip diameter (OD) of the microneedles were calculated as 1.4 ± 0.2, 0.9 ± 0.1 and 0.20 ± 0.03 mm, respectively and this system consists of 6 microneedles in a circular geometry and spaced at 1.8 mm intervals. As a result of the mechanical analysis, the failure force of the microneedles was found to be 2.9 ± 0.4 N per needle and the decrease in their length was 58 ± 4%. Subsequently, to test the skin penetration abilities of the microneedles, in vitro studies were carried out with the skin model created from Parafilm®. In the Parafilm® test, 8 Parafilm® layers were folded on top of each other to create an artificial skin with a thickness of approximately 1 mm and it was determined to what extent the microneedles fixed to the mechanical analyzer could pierce the Parafilm® layers. It has been observed that the microneedles can effectively pierce the Parafilm® up to the 7th layer (~ 900 µm). Considering all these results, it has been shown that the microneedle array, which is capable of penetrating the skin painlessly with its length and mechanical properties, is suitable for the "poke and flow" approach for transdermal or intradermal applications. The liquid drug reservoir was 3D printed from acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) with a diameter of 28 mm, a height of 8 mm, and a diameter of the filling port of 2 mm. It has been observed that the drug solution can be easily fillled into the reservoir with a hypodermic needle (21 gauge) and the fluid can be drained through the same opening. No leakage was observed in the reservoir. Iron oxide (Fe3O4) particles were produced by co-precipitation to be used in the production of the magnetic membrane. Then, Fe3O4 particles and PDMS were mixed with a homogenizer at certain ratios (10, 20 and 30%, wFe3O4/wmembrane, %) by mass, and then coated on a glass substrate surface by dynamic spin coating method and cured at 90ºC for 3 hours. The saturation magnetization of the iron oxide particles was found to be 62.5 emu/g. The saturation magnetization of the thin magnetic membranes were measured as 5.5, 10.7 and 15.3 emu/g, respectively. The thickness of the magnetic membranes varies between 0.74 and 0.44 mm. The deflection of the membranes at applied voltages (10, 20 and 30 V) was analyzed. The resulting deflection values varied from 0.165 ± 0.014 to 1.1358 ± 0.1 mm. The amount of deflection are maximum at Fe3O4 ratio of 20% and minimum at 10% by mass. Two different assembly processes were performed for the fabrication of the micropump-assisted microneedle array. The microneedle array and the reservoir were attached together by solvent bonding using dichloromethane, while the magnetic membrane was joined to the reservoir by the partial curing method. When the entire system was assembled, the total weight was measured as 4.6 g. Afterwards, the reservoir was filled with approximately 1.3 mL of dexamethasone solution and the dosing performance of the developed system at different voltages (30, 40, 50 and 60 V) was analyzed. The aqueous solution of dexamethasone 21-phosphate (0.2 mg/mL) was used as stock drug solution. For this, different voltage values (30, 40, 50 and 60 V) were applied to the system, but pumping did not occur because the deflection of the magnetic membrane alone was not sufficient. Afterwards, it was observed that the pumping was achieved by placing a cylindrical neodymium magnet of 10x1.5 mm size on the magnetic membrane. Accordingly, liquid pumping capacities ranging from 43 ± 17 to 115 ± 8 μL/s were achieved when each voltage between 30 - 60 V (10 V increment) was applied to the system alone, and between 32 ± 12 and 142 ± 45 μL/s were achieved when the system was operated in stages between 30 - 60 V (10 V increment, 2 s on, 2 s off). The system is capable of delivering a total of 52 μg dexamethasone in 16 seconds. It has also been shown that the system are capable of dosing in different volumes and perform multiple dosings according to the applied voltage values over time. The micropump-assisted microneedle array produced in this study, may come forward as a 'proof of concept' system that patients can apply it directly on their own, adjust the drug dose, and make repeated dosing at a certain time interval. In addition, this developed system can be used successfully for other dosing applications where necessary besides dexamethasone.tr_TR
dc.language.isoentr_TR
dc.publisherFen Bilimleri Enstitüsütr_TR
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesstr_TR
dc.subjectCOVID 19tr_TR
dc.subjectMicroneedletr_TR
dc.subjectMicrofabricationtr_TR
dc.subjectDexamethasonetr_TR
dc.subjectMagnetic Micropumptr_TR
dc.subject.lcshMühendisliktr_TR
dc.subject.lcshMetalurji ve malzeme mühendisliğitr_TR
dc.titleDevelopment of a Drug Dose-Adjustable Transdermal Microneedle Systemtr_TR
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/masterThesistr_TR
dc.description.ozetCOVID-19 pandemisinin ilk dalgasında hastanelerin aşırı kalabalık olması ve personel eksikliğinin ölüm riskini artırdığı görülmüştür. Deksametazon, Dünya Sağlık Örgütü (DSÖ) tarafından ağır COVID-19 hastalarında kullanımı önerilen bir kortikosteroidtir. Mikroiğne teknolojisi, hastaların ilaçları ağrısız ve biyoyararlanımı daha yüksek bir şekilde doğrudan deri içine salımı ile almasını sağlar. Dolayısıyla, bu teknolojideki gelişmelerle gelecekte hastaların herhangi bir uzmana ihtiyaç duymadan ilaçları doğrudan kendi başlarına alabilecekleri sistemler ön plana çıkacaktır. Doz ayarlı sistemler ilacın terapötik seviyede uzun süre kalmasını ve yan etkilerinin daha düşük olmasını sağlar. İlacı hastaya belirli bir hızda gönderebilen küçük cihazlar olarak tanımlanan mikropompalar, isteğe göre dozlamayı ayarlayarak uzun vadeli terapötik etki sağlama yeteneğine sahiptir. Mikroiğne sistemleri mikropompalar ile birleştirildiğinde geleneksel ilaç uygulama stratejilerine göre daha güvenilir, etkili ve hastane/uzmandan bağımsız ilaç dozlama/yönetimi sağlanabilir. Bu tez çalışması kapsamında, COVID-19 hastalarının kullanımı için manyetik alan varlığında dozlama yapabilen, ilaç rezervuarına sahip mikropompa destekli bir mikroiğne sistemi geliştirilmiştir. Bu doğrultuda, içi boş polimerik mikroiğne dizisi, poli-L-laktik asitten (PLLA) çözücü döküm yöntemi ile uygun bir kalıp içerisinde tek adımda üretilmiştir. Dairesel bir geometride ve 1.8 mm aralıklarla yerleşmiş 6 adet mikroiğneden oluşan bu sistemde, mikroiğnelerin uzunluğu, genişliği ve uç çapı (OD) sırasıyla 1.4 ± 0.2, 0.9 ± 0.1 ve 0.20 ± 0.03 mm olarak hesaplanmıştır. Mekanik analizler sonucunda, mikroiğnelerin deformasyon kuvveti iğne başına 2.9 ± 0.4 N ve uzunluklarındaki azalış % 58 ± 4 olarak bulunmuştur. Devamında, mikroiğnelerin deri penetrasyon yeteneklerini test etmek için Parafilm®’den oluşturulmuş deri modeliyle in vitro çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Parafilm® testinde, 8 adet Parafilm® tabakası üst üste katlanarak yaklaşık 1 mm kalınlığında bir yapay deri modeli oluşturulmuş ve mekanik analiz cihazına sabitlenen mikroiğnelerin Parafilm® tabakasını hangi katmanlara kadar delebildiği belirlenmiştir. Mikroiğnelerin, Parafilm® modelini 7. tabakaya kadar (~ 900 µm) başarılı bir şekilde delebildiği görülmüştür. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında, cilde ağrısız bir şekilde nüfuz etme özelliğine sahip olan mikroiğne dizisinin, transdermal veya intradermal uygulamalar için "dürt ve akıt" yaklaşımına uygun olduğu gösterilmiştir. Sıvı rezervuar, çapı 28 mm, yüksekliği 8 mm ve doldurma girişinin çapı 2 mm olacak şekilde akrilonitril-bütadien-stirenden (ABS) 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiştir. Rezervuara, hipodermik iğne (21 gauge) ile ilaç çözeltisinin kolaylıkla doldurulabildiği ve yine aynı açıklıktan sıvının boşaltılabildiği görülmüştür. Rezervuarda herhangi bir sızıntı görülmemiştir. Manyetik zarın üretiminde kullanılmak üzere Fe3O4 partikülleri ikili çöktürme yoluyla üretilmiştir. Daha sonra, Fe3O4 partikülleri ve PDMS kütlece belli oranlarda (% 10, 20 ve 30, kFe3O4/kZar, %) olacak şekilde bir homojenizatör aracılığıyla karıştırıldıktan sonra dinamik döndürerek kaplama yöntemiyle bir cam substrat yüzeyine kaplanmış ve 90ºC’de 3 saat boyunca kürlenmiştir. Demir oksit partiküllerin doygunluk manyetizasyonu 62.5 emu/g olarak bulunmuştur. Elde edilen ince manyetik zarların doygunluk manyetizasyonları ise sırasıyla 5,5, 10,7 ve 15,3 emu/g olarak ölçülmüştür. Manyetik zarların kalınlıkları 0,74 ve 0,44 mm arasında değişmektedir. Zarların, uygulanan voltaj değerlerindeki (10, 20 ve 30 V) yer değiştirmesi analiz edilmiştir. Elde edilen yer değiştirmeler, 0,165 ± 0,014 ile 1,1358 ± 0,1 mm arasında değişmektedir. Yer değiştirme miktarları, kütlece %20 Fe3O4 içeren zarda en fazla, %10’da ise en azdır. Mikropompa tabanlı mikroiğne dizisinin üretimi için iki farklı montajlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Mikroiğne dizisi ve rezervuar, diklorometan kullanılarak çözücü bağlama yöntemiyle bir araya getirilirken, manyetik zar rezervuara kısmi kürleme yöntemiyle bağlanmıştır. Tüm sistem bir araya getirildiğinde toplam ağırlık 4.6 g olarak ölçülmüştür. Sonrasında, rezervuar yaklaşık 1.3 mL deksametazon çözeltisiyle doldurulmuş ve geliştirilen sistemin farklı voltaj değerlerindeki (30, 40, 50 and 60 V) dozajlama performansı analiz edilmiştir. Stok ilaç çözeltisi olarak deksametazon 21-fosfat sulu çözeltisi (0,2 mg/mL) kullanılmıştır. Bunun için, öncelikle sisteme farklı voltaj değerleri (30, 40, 50 ve 60 V) uygulanmış ancak manyetik zarın yer değiştirmesi tek başına yeterli olmadığı için pompalama gerçekleşmemiştir. Devamında, 10x1.5 mm boyutlarında silindirik neodyum mıknatıs manyetik zarın üstüne yerleştirilerek pompalama işleminin sağlandığı görülmüştür. Buna göre, sisteme 30 – 60 V arasında (10 V artış) her bir voltaj tek başına uygulandığında 43 ± 17 ile 115 ± 8 μL/s, 30 – 60 V arasında (10 V artış, 2 s açık 2 s kapalı) kademeli çalıştırıldığında ise 32 ± 12 ile 142 ± 45 μL/s arasında değişen oranlarda sıvı pompalama kapasitelerine ulaşılmıştır. Sistem 16 saniyede toplam 52 μg deksametazon verebilme özelliğine sahiptir. Bu veriler ışığında, sistemin uygulanan voltaj değerlerine göre farklı hacimlerde dozajlama yapabildiği ve bu dozajlamayı çoklu bir şekilde zamana göre gerçekleştirebildiği de gösterilmiştir. Bu çalışmada üretilen mikropompa tabanlı mikroiğne dizisi, hastaların doğrudan kendi başlarına uygulayabileceği, ilaç dozunu ayarlayabilecekleri ve belli bir zaman aralığında tekrarlı dozaj yapabilecekleri bir ‘proof of concept’ sistem olarak ön plana çıkabilir. Ayrıca, geliştirilen bu sistem dozajlaması gerçekleştirilen deksametazonun yanı sıra diğer dozajlama uygulamaları için de başarılı bir şekilde kullanılabilir.tr_TR
dc.contributor.departmentBiyomühendisliktr_TR
dc.embargo.termsAcik erisimtr_TR
dc.embargo.lift2023-12-12T11:10:54Z
dc.fundingYoktr_TR
dc.subtypepresentationtr_TR


Bu öğenin dosyaları:

Bu öğe aşağıdaki koleksiyon(lar)da görünmektedir.

Basit öğe kaydını göster