Numerical modelling of ultrasound-triggered microneedle-mediated delivery of drug particles into bacterial biofilms

生物膜 药物输送 超声波 药品 医学 生物医学工程 材料科学 纳米技术 放射科 药理学 细菌 生物 遗传学
作者
Yiran Tian,Jiaji Chen,Zheng Yan,Jingwei Xie,Xiaoning Jiang,Guangfu Li,Guoliang Huang
出处
期刊:Ultrasonics [Elsevier BV]
卷期号:141: 107344-107344
标识
DOI:10.1016/j.ultras.2024.107344
摘要

Ultrasonic microneedle patches, a class of ultrasound-driven transdermal drug delivery systems, are promising in addressing bacterial biofilms. This device has been proven to be more effective in treating Staphylococcus aureus biofilms than drug in free solution. However, there exists a notable gap in understanding how various excitation conditions and material parameters affect drug delivery efficiency. This study aims to fill this void by conducting an comprehensive multi-physics numerical analysis of ultrasonic microneedle patches, with the ultimate goal of enhancing drug delivery. First, we investigate the impact of various ultrasound frequencies on drug penetration depths. The findings reveal that local resonance can accelerate drug release within a shorter time window (first 1.5 h), whereas non-resonant frequencies enable more profound and prolonged diffusion. This information is crucial for medical professionals in selecting the most effective frequency for optimal drug administration. Furthermore, our investigation extends to the effects of applied voltage on temperature distribution, a critical aspect for ensuring medical safety during the application of these patches. Additionally, we examine how particles of different sizes respond to acoustic pressure and streaming fields, providing valuable insights for tailoring drug delivery strategies to specific therapeutic needs. Overall, our findings offer comprehensive guidelines for the effective use of ultrasonic microneedle patches, potentially shifting the paradigm in patient care and enhancing the overall quality of life.
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