Mobile-controlled Iontophoresis Transdermal Drug Delivery System for Enhanced Therapeutic Efficacy
- 주제어 (키워드) Microfluidics , skin permeation , Iontophoresis , Transdermal drug delivery system , Hydrogel
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정봉근
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079257
- UCI I804:11029-000000079257
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
This dissertation covers three main studies aimed at innovative advances in transdermal drug delivery systems. The first chapter presents the development and validation of a novel microfluidic device for skin permeation analysis. The device mimics the functionality of traditional Franz cells, but it characterizes by low-cost fabrication, high-throughput screening, high-resolution analysis. Additionally, the microfluidic channels, which mimic the receptor region of Franz cells, enable effective skin permeation assays and can be adapted for various biological assays by replacing the channels with cell culture chambers. In our experiments, the microfluidic device provided results analogous to those of Franz cells. This high-throughput screening capability, allowing for the simultaneous analysis of multiple samples, greatly improved experimental efficiency. The second chapter discusses the design and implementation of a mobile-based wireless drug delivery system that operates via Bluetooth communication. The core of the system is a printed circuit board that outputs a bidirectional constant current, providing consistent performance regardless of the connected resistance value and ensuring reliable and effective drug delivery. Experiments using porcine skins demonstrated that iontophoresis significantly enhances the depth of drug penetration into the skin. The mobile-based control system is particularly useful in the treatment of chronic diseases such as cancer, diabetes, Alzheimer's disease, and infectious wound healing through precise drug administration. The third chapter details the development and optimization of drug-loaded hydrogels with innovative adhesive properties. The hydrogel exhibited a porous structure and elasticity of more than 500%, with a Young’s modulus of 7.2 kPa, which is lower than that of the skin, ensuring stable adhesion despite user movement when attached to the skin. Further analyses included assessments of skin irritation, drug permeability, skin deposition, and mobile- controlled drug delivery. In conclusion, the microfluidic device, mobile-based wireless control system, and adhesive drug-loaded hydrogel developed in this study represent important advances in the field of transdermal drug delivery. With their low cost, high efficiency, and versatility, these technologies can significantly contribute to the study of skin permeation and the research and development of drug delivery systems. This dissertation is expected to make a substantial contribution to the advancement of medical research and therapeutic technologies through these innovative approaches.
more초록 (요약문)
본 논문은 경피 약물 전달 시스템의 혁신적인 발전을 목표로 세 가지의 주요 연구를 다루고 있습니다. 첫 번째 장에서는 피부 투과 분석을 위한 새로운 미세유체장치의 개발과 검증에 대한 연구입니다. 본 장치는 전통적인 프란츠 셀의 기능을 모방하면서도, 저비용 제작 및 고속 처리, 고해상도 분석이 가능하다는 것이 특징입니다. 또한, 프란츠 셀의 수용체 영역을 모방한 미세유체 채널을 통해 효과적인 피부 투과 분석이 가능하며, 무엇보다 이를 세포 배양 챔버로 대체함으로써 다양한 생물학적 분석에도 활용할 수 있습니다. 실험 결과, 미세유체장치는 기존 프란츠 셀과 유사한 결과를 제공하였으며, 여러 샘플을 동시에 분석할 수 있는 고속 처리 능력으로 실험의 효율성을 크게 향상시킬 수 있었습니다. 두 번째 장에서는 블루투스 통신을 통해 작동하는 모바일 기반의 무선 제어 약물 전달 시스템의 설계를 구현에 대한 연구입니다. 본 시스템의 핵심은 연결된 저항값에 관계없이 일관된 성능을 제공하는 양방향의 정전류를 출력하는 인쇄 회로 기판으로, 안정적이고 효과적인 약물의 전달을 보장합니다. 돼지 피부를 이용한 실험을 통해, 이온영동법이 약물의 피부 투과 깊이를 크게 향상시킴을 확인하였습니다. 모바일 기반 제어 시스템은 정밀한 약물 투여를 통해 암, 당뇨병, 알츠하이머병, 감염성 상처 치료 등 만성 질환의 치료에 특히 유용할 것으로 기대됩니다. 세 번째 장에서는 혁신적인 접착성을 가지는 약물 적재 하이드로겔의 개발과 최적화에 대한 연구입니다. 본 하이드로겔은 다공성 구조와 500% 이상의 신축성을 나타내었으며, 7.2 kPa의 영률, 곧 피부보다 낮은 영률을 보여 피부에 부착하였을 때 사용자의 움직임에도 안정적인 부착을 보장할 수 있습니다. 또한, 추가적인 분석을 통해 피부 자극성과 약물 투과도, 피부 침착 및 모바일 제어 약물 전달을 포함한 다양한 평가를 진행하였습니다. 결론적으로, 본 연구에서 개발된 미세유체장치, 모바일 기반의 무선 제어 시스템 및 접착성 약물 적재 하이드로겔은 경피 약물 전달 분야에서 중요한 발전을 이루었습니다. 이러한 기술들은 저비용, 고효율, 다기능성을 통해 피부 투과 연구와 약물 전달 시스템의 연구 및 개발에 실질적인 기여를 할 수 있을 것입니다. 본 논문은 이러한 혁신적인 접근법을 통해 향후 의료 연구와 치료 기술의 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.
more목차
I. Research Background 1
A. Literature Review 1
B. Scope of Dissertation 5
II. Chapter 1: PMMA-based Microfluidic Device for Skin Permeation Analysis 7
A. Introduction 7
B. Materials and Methods 10
C. Results and Discussion 14
D. Summary 18
III. Chapter 2: Wirelessly Controlled Iontophoresis by Mobile App for Cancer Treatment 27
A. Introduction 27
B. Materials and Methods 31
C. Results and Discussion 37
D. Summary 45
IV. Chapter 3: Wearable Device Based on Adhesive and Drug-loaded Hydrogel 62
A. Introduction 62
B. Materials and Methods 65
C. Results and Discussion 70
D. Summary 83
V. Conclusion and Future Perspectives 95
A. Conclusion 95
B. Future Perspectives 97
References 98
