Dual-loaded Drugs and Controlled Release based on Self-transforming Microneedle

Abstract

Advancements in drug delivery technologies, such as autoinjectors and implantable devices (e.g., Implanon, Norplant), have led to patient-friendly innovations. In this study, self-transforming microneedles (SMNs) were developed as a targeted drug delivery system for infertility treatment, enabling high-capacity drug loading and controlled hormone release. A dual-layered SMN system including gelatin methacryloyl (GelMA) was designed to achieve controlled drug release kinetics via shape memory properties. Additionally, finite element analysis (FEA) was used to optimize the structural design, determining the ideal slot configuration for enhanced skin penetration efficiency. After insertion, the outer layer, loaded with follicle-stimulating hormone (FSH) gradually degrades, continuously releasing the drug over three days. This process enables multiple follicles to mature simultaneously. Upon thermal stimulation, the microneedles recover their original shape, triggering the burst release of human chorionic gonadotropin (hCG) from the inner layer within one day, thereby inducing ovulation. The efficacy of this SMN-based drug delivery system was validated through a series of in vitro and ex vivo experiments. In particular, in vitro release and subsequent bioactivity assays validated the drug’s functional efficacy, demonstrating its potential as a targeted and controllable hormone delivery platform.

불임 치료는 반복적인 호르몬 주사와 투여 시점의 정밀한 조절이 요구되며, 이로 인해 환자에게 심리적·신체적 부담이 상당한 치료 방식이다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 자가형상복원 기능을 갖는 마이크로니들(SMN)을 기반으로 한 이중 약물 전달 시스템을 설계하였다. 이 시스템은 외층에 난포자극호르몬(FSH), 내층에 배란유도호르몬(hCG)을 탑재하고, GelMA 하이드로겔과 열 자극을 이용한 구조적 전환을 통해 약물 방출의 순서와 속도를 정밀하게 제어할 수 있도록 구성되었다. 특히, 형상 복원 전후의 surface roughness 변화를 통해 약물의 부착성과 탈리 특성까지 조절함으로써, 시간에 따라 단계적인 약물 방출을 유도하였다. 이러한 구조적·기능적 특성을 기반으로, in vitro 및 ex vivo 실험을 통해 마이크로니들의 삽입 성능, 약물 방출 특성, 그리고 생물학적 반응을 연속적으로 검증하였으며, 기존의 주사 기반 치료법을 대체할 수 있는 전례 없는 약물 전달 플랫폼의 가능성을 제시하였다.