Biophotonic 3D printed glass-based device for in-situ drug delivery using light

Abstract

Externally activated photo-triggered drug delivery systems allow the control of the concentration of a drug being delivered over space and time. The stimulus used to release the drug could be near infra-red (NIR) light at 980nm which can penetrate the skin. This drug delivery system needs to be porous so it can be loaded with drugs before implantation. In addition, it needs to be fabricated from bioactive glass which should emit light at specific wavelength for drug release when pumped with NIR light.

The aim of this project is to prepare an ink for 3D printing biophotonic porous scaffold with NIR rechargeable green afterglow. The ink was prepared with bioactive glass particles, upconverter crystals and green persistent luminescence (PeL) particles. The goal is to prepare an ink with homogeneous dispersion of all the materials so that the spectroscopic properties were homogeneous within one scaffold and between scaffolds.

CaWO4 crystals codoped with Tm3+ and Yb3+ were synthesized through solid-state reaction to obtain the conversion of 980 nm to blue light. The crystals were ball milled for 3 to 20 minutes to obtain crystals with different sizes. XRD, SEM and emission spectrum measurements were used in order to understand the impact of ball milling on the crystal’s spectroscopic properties. Bioactive glass with the composition 45-P2O5-2.5SiO2-2.5B2O3-10Na2O-20CaO-10SrO-10MgO (in mol.%) was prepared using the conventional melting quenching technique. After annealing, the glass was crushed and sieved to obtain glass powder to be used in the ink.

The CaWO4 upconverter crystals and the persistent luminescence (PeL) particles with the composition SrAl2O4:Eu2+Dy3+ were mixed up to 10 wt.% with the glass powder and used to prepare an ink to obtain green persistent luminescence after being charged with near-infrared light. Emission spectrum measurements were done on the ink to analyze the distribution of the CaWO4 crystals. The measurements showed that the crystals survived the ink preparation and were homogeneously distributed in the ink. UV light was used to analyze the distribution of the PeL particles. The PeL particles also survived and were homogeneously distributed in the ink.

After the sintering process of the scaffolds, no intense green PeL could be detected from the scaffolds anymore. The loss of the PeL particles might be due to the long sintering process, human error, or the burning of the Pluronic acid solution in the ink during the sintering. Additional research needs to be performed on the 3D printing and sintering processes to obtain scaffold with intense green persistent luminescence, needed to release drugs.

Ulkoisesti aktivoitava valolla käynnistettävä lääkkeenkuljetussysteemi mahdollistaa kuljetetun lääkeaineen pitoisuuden kontrolloimisen paikan ja ajan suhteen. Lääkkeen vapautukseen voidaan käyttää ärsykkeenä ihoa läpäisevää 980 nm:n aallonpituudella olevaa lähi-infrapunavaloa. Tällaisen lääkkeenkuljetussysteemin tulee olla huokoinen, jotta siihen voidaan laittaa lääkeainetta ennen sen asettamista kehoon. Sen tulee lisäksi olla valmistettu bioaktiivisesta lasista, joka säteilee valoa tietyllä aallonpituudella infrapunavalolla varaamisen jälkeen lääkkeen vapautusta varten.

Tämän työn tavoitteena on valmistaa muste huokoisten biofotonisten lähi-infrapunavalolla varattavan jälkihehkun omaavien skaffoldien 3D-tulostukseen. Muste valmistettiin bioaktiivisista lasihiukkasista, upkonversiokiteistä ja vihreistä pysyvistä luminesenssipartikkeleista. Tavoitteena on valmistaa muste, jossa kaikki materiaalit ovat homogeenisesti jakautuneet, jotta spektroskooppiset ominaisuudet olisivat homogeenisia yksittäisessä skaffoldissa ja skaffoldien välillä.

Tm3+- ja Yb3+-ioneilla seostetut CaWO4-kiteet 980 nm:n valon muuntamiseksi siniseksi valoksi valmistettiin kiinteän faasin reaktiolla. Kiteitä jauhettiin kuulamyllyllä kolmesta kahteenkymmeneen minuuttiin erikokoisten kiteiden saamiseksi. Röntgenkristallografiaa, pyyhkäisyelektronimikroskooppia ja emissiospektrimittauksia käytettiin ymmärtämään kuulamyllyn käytön vaikutuksia kiteiden spektroskooppisiin ominaisuuksiin. Bioaktiivinen lasi, jonka kemiallinen rakenne oli 45-P2O5-2.5SiO2-2.5B2O3-10Na2O-20CaO-10SrO-10MgO (mol. %), valmistettiin tavallisella sulatus- ja karkaisutekniikalla. Sintraamisen jälkeen lasi murskattiin ja sihdattiin lasijauheen saamiseksi mustetta varten.

CaWO4-upkonversiokiteet ja pysyvät luminesenssipartikkelit, joiden kemiallinen rakenne oli SrAl2O4:Eu2+Dy3+, sekoitettiin lasijauheen kanssa 10 m-%:iin asti ja käytettiin musteen valmistamiseen, jotta saatiin aikaan lähi-infrapunavalolla varattava vihreä pysyvä luminesenssi. Musteelle tehtiin emissiospektrimittaukset, jotta CaWO4-kiteiden jakautumista voitiin analysoida. Mittaukset osoittivat, että kiteet selvisivät musteen valmistuksesta, ja ne olivat homogeenisesti jakautuneet musteessa. UV-valoa käytettiin luminesenssipartikkeleiden jakautumisen analysoimiseen. Myös pysyvät luminesenssipartikkelit selvisivät ja olivat homogeenisesti jakautuneet musteessa.

Skaffoldien sintraamisen jälkeen voimakasta vihreää pysyvää luminesenssia ei enää havaittu skaffoldeissa. Pysyvien luminesenssipartikkeleiden menetys saattaa johtua pitkästä sintrausprosessista, inhimillisestä virheestä tai musteessa olevan Pluronic-happoliuoksen palamisesta sintrauksen aikana. 3D-tulostusta ja sintrausprosessia tulee tutkia lisää, jotta voidaan valmistaa lääkkeen vapautukseen tarvittavan vihreän pysyvän luminesenssin omaava skaffoldi.