Les produits pharmaceutiques doivent leurs effets principalement à leur composition chimique, mais l'emballage de ces médicaments dans des formulations physiques spécifiques doit également être fait selon des spécifications exactes. Par exemple, de nombreux médicaments sont encapsulés dans des microparticules solides, dont la taille et la forme déterminent le moment de la libération du médicament et son administration à des parties spécifiques du corps.

Lors de la conception de ces microparticules de médicament, la cohérence est la clé, mais les techniques courantes de fabrication de médicaments, tels que le séchage par atomisation et le broyage à billes, produire des résultats inégaux. La méthode idéale fait appel à la microfluidique, une sorte de chaîne d'assemblage liquide qui laisse s'égoutter des microparticules parfaitement dimensionnées, un à la fois.

Les ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant développé un système microfluidique où plus de dix mille de ces appareils fonctionnent en parallèle, le tout sur une puce de silicone et de verre qui peut tenir dans une poche de chemise.

La mise à l'échelle des systèmes microfluidiques a été un défi majeur, car ils dépendent de débits étroitement contrôlés pour produire des particules de taille constante. L'innovation de l'équipe Penn est une nouvelle architecture fluidique, construit avec la technologie utilisée pour fabriquer des puces informatiques, résultant en un système capable de fabriquer ces particules de médicament mille fois plus rapidement que jamais.

L'équipe, dirigé par David Issadore, professeur adjoint au Département de bio-ingénierie de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, et Sagar Yadavali, un chercheur postdoctoral dans son laboratoire, décrit la conception de leur système dans la revue Communication Nature . Daeyeon Lee, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire, et Heon Ho Jeong, puis étudiant diplômé dans son laboratoire, contribué à l'étude.

L'équipe Penn teste actuellement son système avec David Lai, chercheur à GlaxoSmithKline.

Les techniques actuelles de fabrication de microparticules pharmaceutiques consistent à les pulvériser sous forme liquide à partir d'une buse et à les laisser sécher, ou broyer des particules solides plus grosses dans un tambour. Cependant, puisque les microparticules sont fabriquées en masse, il peut y avoir des variations importantes dans leur taille et leur forme.

"Ces problèmes de fabrication signifient qu'une quantité énorme de temps et d'argent est dépensée en réductions de taille, " Yadavali a déclaré. "Cela conduit à des coûts plus élevés."

La microfluidique offre une solution potentielle à ces problèmes. En synthétisant les médicaments dans un réseau de canaux et de chambres microscopiques, la tension superficielle et les forces de traînée peuvent être finement ajustées pour générer des particules de taille et de forme cohérentes. Cependant, il existe des limites intrinsèques à la vitesse à laquelle ces dispositifs à micro-échelle peuvent fonctionner.

"Le goulot d'étranglement pour augmenter le débit de la microfluidique est un problème de physique fondamental, " a déclaré Issadore. " Nous ne pouvons pas faire fonctionner les dispositifs microfluidiques individuels plus rapidement que tout autre laboratoire, parce que le phénomène microfluidique qui permet aux microparticules de médicament d'être fabriquées avec précision cesse de fonctionner au-dessus d'un débit critique ?

Les débits typiques sont d'un millilitre par heure, beaucoup trop lent pour être utile dans un environnement industriel. Comme l'augmentation du débit n'est pas une option, le seul moyen d'augmenter la production est d'augmenter le nombre d'appareils.

Les tentatives précédentes de parallélisation à grande échelle se sont heurtées à un autre compromis. Afin de répartir le flux uniformément sur tous les appareils de la puce, chaque dispositif individuel doit avoir une chute de pression importante à travers lui par rapport à la chute de pression le long des canaux de distribution qui l'alimentent. Il en résulte que chaque appareil fonctionne plus lentement qu'il ne le ferait s'il était alimenté individuellement.

Les chercheurs de Penn ont résolu ce problème en séparant les appareils en deux, un composant qui fournit la chute de pression requise et un autre en aval qui fabrique les particules. Cela permet d'incorporer de nombreux appareils en parallèle sans avoir d'incidence sur le débit de chacun.

"En incorporant des résistances de flux à haut rapport d'aspect en amont de chaque appareil, " Yadavali a dit, « nous pouvons découpler la conception de gouttelettes individuelles de la conception au niveau du système, ce qui nous permet d'intégrer tout type de générateur de particules microfluidique que nous voulons, et autant que nous pouvons en mettre sur une puce."

En utilisant la lithographie pour graver simultanément 10, 260 appareils dans une plaquette de silicium de quatre pouces, le prendre en sandwich entre deux plaques de verre pour faire des canaux creux, et raccorder ses ensembles uniques d'entrées et de sorties, le système de l'équipe Penn produit un débit effectif qui est plus de dix mille fois plus rapide que ce qui peut être généralement obtenu dans un dispositif microfluidique.

L'équipe Penn a d'abord testé son système en fabriquant de simples gouttelettes d'huile dans l'eau, à un rythme de plus de 1 000 milliards de gouttelettes par heure. Pour le démontrer avec des matériaux plus pertinents pour la fabrication de médicaments, ils ont également fabriqué des microparticules biocompatibles à partir de polycaprolactone, à un rythme d'environ 328 milliards de particules par heure.

"Les médicaments peuvent être mélangés dans des microparticules de polycaprolactone, de sorte que des quantités contrôlées de médicament puissent être progressivement libérées à mesure que la particule se dissout, " Sagar a déclaré. "La vitesse à laquelle le médicament quitte la particule dépend de la taille de la particule, c'est pourquoi il est si important d'avoir une taille constante."

Les chercheurs ont seulement mélangé la polycaprolactone avec de l'eau; tester sur un vrai médicament aurait été prohibitif compte tenu du taux de production de leur système.

" Chez GSK, nous sommes ravis de faire partie d'une collaboration de recherche avec les groupes de recherche de Daeyeon et de David. Félicitations pour cette publication exquise et percutante, " dit Laï.

Le système microfluidique du chercheur est actuellement capable de ce type de conditionnement simple de médicaments, mais autre, des techniques de fabrication plus compliquées sont possibles.

« Nous travaillons maintenant à la mise en œuvre d'opérations microfluidiques supplémentaires sur notre puce, y compris des versions miniaturisées de l'extraction par solvant, cristallisation, et d'autres procédés traditionnels de génie chimique, " a déclaré Issadore. "En apportant plus d'opérations nécessaires pour formuler le médicament sur notre puce, des formulations médicamenteuses précises de microparticules « de conception » peuvent être produites à une échelle industrielle. »